采用熱管散熱功放模塊的數字電視發射機簡介

顧志忠

（遼寧數字廣播電視設備集團有限公司，遼寧 鞍山 114051）

1 熱管技術簡介

熱管技術是20世紀60年代國外科研人員發明的一種稱為“熱管”的傳熱元件。它充分利用了熱傳導原理與制冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其傳導熱量能力超過任何已知金屬的導熱能力。經過測試可知，熱管的導熱速度是Au的1000倍。熱管技術以前被廣泛應用在宇航、軍工等行業，自從被引入散熱器制造行業，使得人們改變了傳統散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，使得困擾風冷散熱的散熱效果不好和噪音問題得到良好解決，開辟了散熱技術的新天地。

為什么熱管會擁有如此良好的導熱能力呢？從熱力學的角度看，物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫差存在的時候，就必然出現熱量從高溫處向低溫處傳遞的現象。熱傳遞有三種方式：輻射、對流、傳導。其中熱傳導最快。熱管就是利用蒸發制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。

2 基本工作原理

典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。將管內抽成 1.3×10-4～1.3×10-1Pa的負壓后充以適量的制冷介質（液體），使貼緊管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發段（吸熱段），另一端為冷凝段（放熱段），根據應用需要可在兩段中間布置絕熱段。當熱管的一端受熱時，吸液芯毛細多孔材料中的液體蒸發汽化（吸收熱量），蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環不已，熱量由熱管的一端傳導至另一端。

熱管中的毛細多孔材料主要有三個作用：一是提供冷凝段液體回流蒸發段的通道，二是提供內壁與液體/蒸汽進行熱傳導的通道，三是提供液汽相變產生毛細壓力所必須的孔隙。毛細多孔材料可以是粉末燒結或纖維。

3 應用技術背景

目前，國內生產的廣播電視發射機都采用大功率場效應管。遼寧數字廣播電視設備集團有限公司率先采用了具有較高性價比的MRF6VP3450H功放管，單管數字功率可達90 W。功放模塊工作狀態下溫度很高，必須采用切實有效的冷卻散熱手段控制功放模塊的工作溫度，以達到大功率輸出、穩定性好的效果。國內外生產的廣播電視發射機現在普遍采用兩種冷卻散熱方式來降低系統的溫度：一種是強制風冷散熱方式，這種方式不能滿足大功率發射機的散熱要求，直接影響到發射機工作的穩定性和使用壽命；另一種是水冷散熱方式，雖然其散熱效果較好，但其結構復雜，造價昂貴，維護不方便。

經過反復試驗，把熱管散熱技術應用于廣播電視發射機功放模塊系統散熱，發明了廣播電視發射機功放模塊熱管冷卻散熱裝置（發明專利申請受理號：200910012792.3），其結構簡單、冷卻效果好、可靠性高，匯集了國內外液冷和風冷發射機的優點，創造了環保、節能、靜音、穩定可靠的熱管散熱廣播電視發射機，圓滿解決了大功率發射機功放模塊散熱效果不好的難題。

4 應用技術闡述

廣播電視發射機功放模塊熱管冷卻散熱裝置由基板、設置在基板上（吸熱蒸發段）和基板兩側（散熱冷凝段）的熱導管、設置在熱導管的吸熱蒸發段上的功放模塊和設置在熱導管散熱冷凝段上的散熱翅片組成。熱導管內裝有制冷介質（工作液體）。熱導管由直管段和斜管段組成，其直管段為吸熱蒸發段。斜管段為散熱冷凝段，且分別設置在基板的兩側。散熱冷凝段的斜管段熱管與基板成 3°～9°的夾角。

熱管的兩端（蒸發段和冷凝段）通過機械固定工藝與基板和散熱翅片分別密貼固定連接。基板采用高導熱金屬紫銅制作，熱管采用紫銅燒結式熱管，翅片采用熱導系數很小的合金鋁型材制作。熱管內的工作介質為具有很低蒸發點的去離子水。

基板的面積和形狀與功放模塊的散熱面形狀、面積相同，基板和功率模塊通過螺釘固定連接。

熱管斜管段設置的作用是提供散熱冷凝段工作液體回流到吸熱蒸發段的通道。基板上設置功放模塊的數量可根據發射機功率大小確定。其確定方法為：根據發射機要求功率確定功放單元的數量和功率，再根據單個功放模塊的功率確定每個功放單元上需放置功放模塊的數量。如1 kW數字發射機，若劃分4個功放單元，則每個功放單元功率至少要達到300 W，如果采用的單個功放模塊功率為90 W，則需要在基板上每個功放單元放置4個功放模塊。功放模塊熱管散熱裝置可根據廣播電視發射機功放模塊熱流密度要求進行改變設計。可以增加熱管和翅片的數量，也可以改變翅片的材質，采用熱導系數更小的銅制散熱翅片增強散熱能力，更有效地滿足系統溫度要求。而熱導管斜管段（散熱冷凝段）的角度可與廣播電視發射機整機機箱和功率保持一致。一般斜管段的角度在5°左右。熱導管的尺寸和相對位置由需要散熱的功放模塊功率以及相關熱參數決定。

其工作過程是：

1）熱量從發熱源即工作狀態下的功放模塊通過基板將熱量傳遞到熱導管的吸熱蒸發段一端；

2）熱導管內的制冷介質受熱在熱導管吸熱蒸發段內的液—汽分界面上汽化；

3）蒸汽在壓差下從熱導管直管吸熱蒸發段流到熱導管斜管散熱冷凝段；

4）蒸汽在熱導管斜管散熱冷凝段內的汽—液分界面上凝結成液體，回流到熱導管的吸熱蒸發段，如此反復循環，熱量被源源不斷傳導出來；

5）熱量從熱導管散熱冷凝段上的散熱翅片散出，由軸流風機引出。

5 性能比較

功放管技術指標比較見表1。

冷卻散熱效果比較見表2。

表1 功放管技術指標比較

表2 冷卻散熱效果比較

6 整機優良性能簡介

1）功放管采用MRF6VP3450H，整機效率達到25%～30%，大大節約了運行成本，節能減排（整機電耗：3～4 kW/h）。

2）由于MRF6VP3450H單管功率大，在同等功率下使用器件數量少，降低了整機故障。

3）由于熱管具備較好的導熱能力，使管腳積熱得到很好解決，降低了管腳溫度，提高了單管效率，延長了使用壽命，降低了長期維護成本。

4）整機采用了145FZY2-S軸流風機，其引風效果好，噪聲低，節能環保，提高了整機效率。

5）整機體積小（1760 mm×577 mm×1000 mm）。

6）整機加工工藝采用具有世界先進水平的全自動柔性加工生產線加工，整機工藝達到世界先進水平。

7）自主開發的計算機監控軟件，全中文人機對話界面。

7 應用前景及社會經濟效益

熱管冷卻散熱技術在廣播電視發射機制造中的成功應用是對傳統的發射機風冷散熱、水冷散熱方式的一次革命和創新；圓滿地解決了困擾大功率發射機風冷散熱效果不好、噪音大的問題和水冷散熱造價高、結構復雜、不易維護的缺陷；其應用技術新穎，設計思路獨特，裝置結構合理，簡單實用，方便維護，冷卻散熱效果優于傳統的風冷散熱和水冷散熱方式；大大降低了發射機的制造成本，提高了發射機工作的穩定性和使用壽命，具有良好的應用推廣前景和巨大的社會經濟效益；是全國各廣播電視臺（站）首選的技術先進、具有較高性價比的適用設備。