短波大功率電子管發(fā)射機冷卻系統(tǒng)原理與設(shè)計應(yīng)用

田曙光

【摘 要】發(fā)射機的冷卻方式主要是據(jù)其電子元器件、設(shè)備的發(fā)熱密度（即單位面積耗散功率）數(shù)值來選擇的；同時兼顧元器件的工作狀態(tài)、設(shè)備空間布局或功耗大小，以及環(huán)境條件與運行經(jīng)濟性諸方面因素，以求既能滿足設(shè)備散熱設(shè)計要求，且整機電氣性能指標合格、工作穩(wěn)定可靠。本文首先簡介短波發(fā)射機冷卻系統(tǒng)基本工作原理和運行方式；而后著重對空氣冷卻和液體冷卻進行細致分析；最后，結(jié)合TSW2500型發(fā)射機，對兩種冷卻方式在大功率電子管發(fā)射機上的應(yīng)用進行系統(tǒng)闡述。

【關(guān)鍵詞】冷卻系統(tǒng)；冷卻原理；空氣冷卻；液體冷卻

0 引言

發(fā)射機是一個復雜龐大的電子系統(tǒng)，內(nèi)部集成了各種規(guī)格、型號的電子元器件，其功率密度要求在正常工作時，須具備良好的通風、散熱途徑。隨著現(xiàn)代發(fā)射技術(shù)的發(fā)展和功率器件制造技術(shù)的不斷進步，發(fā)射機的組裝密度、功率密度不斷提高也已成為當前發(fā)展的重要標志。

1 發(fā)射機冷卻系統(tǒng)工作基本原理

冷卻系統(tǒng)的基本任務(wù)就是發(fā)揮出適合本發(fā)射設(shè)備需求的冷卻效果，以便滿足發(fā)射設(shè)備高可靠性的要求。為了保證發(fā)射機的運行可靠性，冷卻系統(tǒng)一直是作為整個工作使用過程中的重要一環(huán)。在進行發(fā)射機冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合發(fā)射機本身的實際情況，從以下幾個方面加以考慮：

1）冷卻系統(tǒng)具有良好的冷卻功能。保證發(fā)射機內(nèi)需要進行熱控設(shè)計的電子元器件能夠在規(guī)定的環(huán)境（尤其是高溫環(huán)境）中正常的工作。

2）冷卻系統(tǒng)具備高可靠性。在規(guī)定的使用期限內(nèi)，冷卻系統(tǒng)的可靠性指標應(yīng)大于等于主系統(tǒng)分配給冷卻系統(tǒng)的可靠性指標要求。冷卻系統(tǒng)中的元器件的可靠性指標應(yīng)該符合冷卻系統(tǒng)可靠性指標的分配要求。

3）冷卻系統(tǒng)具有寬泛的環(huán)境適應(yīng)性。冷卻系統(tǒng)的冷卻能力在設(shè)計中必須有一定的裕量，以適應(yīng)工程上的變化和長期使用后由于積灰、污垢引起的流體阻力的增加而造成的散熱能力的下降等情況。

4）冷卻系統(tǒng)具有方便的維修性，其操作、維護簡便。

5）冷卻系統(tǒng)應(yīng)有良好的安全設(shè)計。加強電氣安全設(shè)計，同時轉(zhuǎn)動部件以及采用的冷卻介質(zhì)等對操作人員應(yīng)無危害，此外，冷卻介質(zhì)須與其接觸的元器件表面相容。

6）設(shè)計的冷卻系統(tǒng)要有優(yōu)良的性價比。其成本核算應(yīng)包括初次的投資成本、日常運行以及長期維護費用等。

2 空氣冷卻

采用空氣來冷卻發(fā)射機設(shè)備發(fā)熱器件，是一種比較直接的冷卻形式，其冷卻系統(tǒng)構(gòu)成簡單，設(shè)備成本低，維護比較方便。空氣冷卻又分為自然風冷與強迫風冷兩種方式，其中，以自然風冷最為簡單。強迫風冷又可劃分為開放式風冷和閉式空調(diào)風循環(huán)冷卻。

2.1 自然風冷

自然風冷也稱為低壓風冷卻。下文結(jié)合大功率發(fā)射機具體闡述。

2.2 強迫風冷

2.2.1 強迫風冷設(shè)計原理

發(fā)射機設(shè)備強迫空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)是在額定的耗散功率下，力求使用最小的驅(qū)動功率，達到元器件溫度低于允許的安全工作溫度，以確保電子器件的使用壽命。

2.2.2 強迫風冷設(shè)計基本原則

1）確定冷卻空氣進氣溫度及壓力，確定每一元器件的允許溫度。

2）強迫通風的氣流方向應(yīng)與自然對流方向取得一致。不發(fā)熱或發(fā)熱量小的元器件排列在氣流的上游（即進口端），發(fā)熱大或耐溫高的元件排列在氣流出口端。

3）強迫風冷時，進風口、出風口應(yīng)盡量遠離，防止氣流短路。當器件在較高的進風溫度下工作時，一定要將進風溫度為20℃所得出的計算加以修正，并推算到相應(yīng)進風溫度時的實際情況。

4）通風管道應(yīng)盡量短，縮短管道長度可以降低風道的阻力損失，避免采用急劇彎曲。

5）在選擇、安置風機時，應(yīng)充分考慮到振動、噪音以及濾塵等問題。

6）盡量使管道密封，所有搭接臺階都應(yīng)順著氣流流動方向。進風口結(jié)構(gòu)應(yīng)使其氣流的阻力最小，且要起到濾塵作用。

2.3 空氣冷卻在短波大功率電子管發(fā)射機上的實際應(yīng)用

TSW2500型大功率電子管發(fā)射機的RF機箱、控制機箱和TSM部分，是通過低壓風冷卻的。根據(jù)當?shù)販囟拳h(huán)境可選擇新鮮風、混合風或循環(huán)風系統(tǒng)。機房實際中采用的是循環(huán)風系統(tǒng)。

機房內(nèi)的暖風經(jīng)精密空調(diào)凈化和冷卻后，經(jīng)過通風柜頂部循環(huán)風百葉窗被低壓風機抽入，再次經(jīng)粗粒灰塵過濾網(wǎng)和細?；覊m過濾網(wǎng)由風筒送入RF機箱和TSM部分。RF機箱內(nèi)的空氣溫度變高后，通過機箱頂部的開口排出機箱外。在風筒上裝有外擴散開口，用于給TSM放大器提供風冷，把冷風吹向TSM機箱的后部。一方面，冷風在TSM機箱內(nèi)對功率模塊冷卻吹風后溫度升高排出機箱外，另一方面，冷風也對TSM變壓器進行冷卻。機房內(nèi)的熱空氣再通過精密空調(diào)送達通風柜頂部循環(huán)風百葉窗流入通風柜。

低壓風機由發(fā)射機控制部分的配電箱供電，風百葉窗或混合風門由低壓分配柜A200供電。風過濾網(wǎng)通過風差壓開關(guān)來監(jiān)測，如果過濾網(wǎng)嚴重阻塞，導致風壓過低，風差壓開關(guān)動作，發(fā)出一個故障信號給發(fā)射機控制系統(tǒng)，表示到發(fā)射機的冷卻風量不足。射頻機箱內(nèi)進風口處安裝有風量檢測開關(guān)K131，如果低壓風冷系統(tǒng)發(fā)生故障，K131斷開，送出一個故障信號送到發(fā)射機控制系統(tǒng)，使發(fā)射機退到黑燈絲“AUX”狀態(tài)，故障信息顯示“低壓風丟失”。

表1 低壓風系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

發(fā)射機的實際應(yīng)用中，通常將強迫風冷稱為高壓風冷。發(fā)射機高末級電子管、驅(qū)動級電子管和陰極阻尼電阻所產(chǎn)生的熱量都是通過強迫風冷（高壓風冷）來散熱的。

高壓風機安裝在射頻機箱3#門后的底層機箱間隔內(nèi)，通過一根硬風管以及一些軟風管來輸送高壓風，把高壓風吹向驅(qū)動級管座和阻尼電阻等器件，射頻末級電子管座則直接與軟風管相連。

表2 高壓風系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

高壓風機電源由發(fā)射機配電箱中配電板上的三相400 VAC主電源供給。高壓風機通過接觸器KM53來開啟，KM53受發(fā)射機控制系統(tǒng)的控制。用一個過流釋放和熱保護繼電器FR53用來保護風機，防止它過載；當過載時，熱保護繼電器FR53會產(chǎn)生一個過載信號送到發(fā)射機的控制系統(tǒng)，使發(fā)射機切換到“AUX”狀態(tài)。在射頻末級電子管TH576的管座旁安裝了一個風量檢測開關(guān)K132，例如，當風機出現(xiàn)故障時，K132斷開，送出“高壓風丟失”故障信號到發(fā)射機控制系統(tǒng)，使發(fā)射機切換到“AUX”狀態(tài)。

3 液體冷卻

按照電子器件與液體的接觸情況，發(fā)射機液體冷卻大體上分為兩類：直接液體冷卻、間接液體冷卻。

3.1 直接液體冷卻

1）電子器件直接浸入液體中的冷卻

由于電子器件被直接浸入液體中，當受熱上升的液體運動中直接與機殼冷表面接觸后，液體變冷，體積收縮，密度增大而下降，從而形成自然對流，把熱量散發(fā)出去。

2）直接強迫液體冷卻

冷卻液用低壓泵送出去后，在電子器件的表面高速度流過而得到充分的換熱，受熱后的液體再通過換熱器將熱量散發(fā)出去，這一過程大大提高了電子器件冷卻效率，它是一個密封循環(huán)系統(tǒng)。在大功率整流管和功率三、四極管的陽極冷卻中應(yīng)用較廣。

3.2 液體冷卻在短波大功率電子管發(fā)射機上的實際應(yīng)用

大功率發(fā)射機實際應(yīng)用中，其液體冷卻介質(zhì)的選擇尤為重要，因為發(fā)射機及冷凝器所處的周圍環(huán)境溫度均在零度以上，所以，我們采用的冷卻介質(zhì)為水，即通常所說的水冷。在調(diào)試發(fā)射機水路時，要用到兩種水質(zhì)的水，清洗整機水路可用自來水，而冷卻系統(tǒng)運行用水卻必須是蒸餾水或去除離子的凈化水。短波電子管發(fā)射機水冷系統(tǒng)采用直接強迫液體冷卻方式冷卻所有的大功率元器件，計有：整個末級、驅(qū)動級電子管、調(diào)諧線和真空電容。強迫液冷的水冷回路設(shè)計成一個封閉管路，其上安裝有離子交換器，可確保管路中凈化水的水質(zhì)。管路中，含礦物質(zhì)很低的水（即水導值很低的凈化水）在流經(jīng)電子管等元件的帶電部位后，將其耗散的熱量輸送給風水熱交換器（即冷凝器），進而散發(fā)到空氣中。

TSW2500型發(fā)射機射頻末級電子管采用的是特超蒸冷方式。工作中，電子管冷卻水流高速流過蒸發(fā)鍋，帶走屏極剛剛產(chǎn)生的蒸汽泡，通過流經(jīng)冷凝器進行冷卻。理論上，該機型的設(shè)計出水溫度可達到90℃，但在實際播音中一般在70℃左右，水溫的實際值取決于發(fā)射機調(diào)幅度的大小。該機冷卻系統(tǒng)具有非常高的熱耗散比，從而確保了高末級大功率電子管TH576的運行使用安全。

此外，發(fā)射機采用間接液體冷卻方式冷卻所有的PSM功率模塊，由水冷盤對模塊兩個IGBT、整流二極管、熱保護開關(guān)組成的功率元器件部分進行冷卻。

表3 水冷系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

4 結(jié)束語

近年來，短波大功率電子管發(fā)射機的載波功率已達幾百千瓦以上，其中的電子管等真空器件均需采用強迫液冷，即水冷冷卻。而高壓電源中的變壓器、電感器以及硅堆等，由于這些元器件均處在高電壓下，兼顧到高壓絕緣和散熱這對矛盾，現(xiàn)在一般采用強制風冷冷卻。低壓電源及其它電子線路，就采用自然風冷。具體采用何種冷卻方式，須根據(jù)設(shè)備的使用條件和功率密度來設(shè)計確定。

【參考文獻】

[1]丁連芬.電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，1989.

[2]陳建業(yè).大功率電力電子裝置冷卻系統(tǒng)的原理及應(yīng)用[J].國際電力，2002（6-4）.

[3]楊雙根.發(fā)射機冷卻系統(tǒng)設(shè)計[C]//2005年機械電子學學術(shù)會議論文集.2005.

[4]THALES. TSW2500型500KW技術(shù)說明書[S].2005.

[責任編輯：楊玉潔]