GME11D13X2A型地面數字電視發射機風冷系統改造設計

方耀武

（作者單位：安徽廣播電視臺宣城發射臺）

GME11D13X2A型地面數字電視發射機風冷系統改造設計

方耀武

（作者單位：安徽廣播電視臺宣城發射臺）

數字電視發射機效率較低，整機熱耗大，整機的溫升是影響發射機穩定、可靠、不間斷工作的重要因素。所以，整機冷卻系統能否快速、均衡、有效地散熱是發射設備穩定工作的前提。本文針對GME11D13X2A型地面數字電視發射機風冷系統設計缺陷重新設計了風冷系統，改善了風路設計，采用加快冷媒在設備內循環，增加散熱措施，加快散熱速度的改進措施，有效降低整機溫升，消除局部熱量積聚，為發射機提供了良好的穩定的工作環境。

數字電視發射機；風冷系統；設計改造

1　詳細技術內容

1.1概述

由于數字電視對帶寬，失真等參數的要求，決定了數字電視發射機功放效率只有10%～15%，也就是說功放消耗的85%～90%的能量將轉化為熱量的形式散發出去。因此，良好的散熱系統是功放穩定可靠工作的保障。GME11D13X2A型地面數字電視發射機，一柜雙機，同一機柜整合了2臺1kW數字發射機，正常工作時近7～8kW的熱功率需要散發出去。同一機柜中安裝有4臺600W功放，2臺地面數字激勵器，2臺主控單元，結構緊湊，散熱效果不佳整機的溫升超過10℃局部最高達55℃。實測整機散熱參數結果如表1。

測試儀器：AZ8908風速測量儀；T350C手持紅外測溫儀。

1.2冷卻系統改造原理分析

發射機產生熱量的來源主要有三個方面：（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致的能量消耗。其中，原因（2）是可控可調的，原因（1）是產生熱量的最主要原因，是產生熱量的源頭，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，如控制不當會使整機頻響出現變化，嚴重時會導致發射系統失效造成停播事故。因此，解決（1）、（3）是我們在風冷設計中最關鍵的環節。

GME11D13X2A型地面數字電視發射機功放采用模塊化結構，單個末級功放板由2只LDMOS場效應管組成。每個場效應管和與之相聯的輸入輸出匹配電路構成一個單管放大器。2個單管放大器和90°正交電橋構成一組末級輸出功率大于200W的功放板；3組同樣的末級功放板再經三合成器功率合成為1臺輸出功率大于600W的功放模塊，功放的整機效率15%左右，散熱量大。熱量產生的根源是功放管，消耗在功放管中的功率PD主要消耗在漏結上，造成漏結發熱而使結溫上升，如漏結散熱良好，會在一個較低的溫度上達到熱平衡，反則會在一個較高的溫度上達到熱平衡，如溫度控制不好會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）；傳輸的熱功率為P；熱阻RTH熱傳導過程中受的阻力，單位用℃/W。則他們的關系為：

上式表明，RTH越小，即熱傳導過程中受的阻力越小，散熱越好，由熱源P產生的溫度差就越小，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。

表1　實測整機散熱參數結果

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到熱平衡，從而使設備有良好的工作環境。從（2）式中可以得出，良好的散熱系統應包括2個重要環節。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。因功放模塊設計定型，無法增加固定的散熱面積，只有重新設計冷媒回路，改善風路設計，加快冷媒流動等效于加大散熱面積，才能解決系統溫升過高問題。

1.3風路系統設計

從表2、表3參數我們可以得出，（0.19864125-0.1884/0.1884）×100%≈5.44%，說明進風量比出風量大5.44%，機柜內呈弱正壓，作為冷媒的空氣會在機柜中積聚并阻礙熱源和冷媒的熱交換，提高了熱阻RTH，設備會在較高的溫度下達到熱平衡。為了減小熱阻，受原設計的限制，降低整機溫度的唯一方式是必須加大排風速度，使機柜內呈弱負壓，促進進氣速度，加快冷媒和熱源的交換，達到降低整機溫度的目的。

表2　改造前進出風量參數

表3　機柜參數

表4　改造后散熱參數

重新設計改造后的風冷系統如圖2所示。改造前機柜6處不同位置，不同方向進風，只有頂部1處排風，進風點過于分散，排風過于集中導致機柜內出現排風不均衡現象，機柜上部排風較為順暢，下部排風困難，局部形成內循環風，熱量不能盡快排出，導致冷媒溫度上升，從而造成局部熱量積累，機柜下部設備溫度高，局部燙手。改造后如圖3，在機柜后部中部開1處直徑300mm的排風口，增加1臺風壓205Pa，風量3300m3/ h大功率散熱風機，使得最大排風量達約1m3/s，遠遠大于進風量，使機柜內空氣呈弱負壓，徹底改變了機柜內風路，使冷媒在機柜內分布得更加合理均衡，有效地消除了局部內循環風的問題。

圖2　重新設計改造前的風冷系統

圖3　重新設計改造后的風冷系統

從表2，表3、表4中可以得出，進風口風速增加約17%，每秒冷媒交換率提高到約20%，兩項參數均明顯增加，有效地降低了RTH，使整機熱交換效率大大提高。實測出風口溫度降低約10℃以上，降溫效果明顯，使功放模塊工作更加穩定可靠，消除了故障隱患。

2　使用情況

GME11D13X2A型地面數字電視發射機風冷系統改造完成后，有效地降低了熱阻RTH，進風口風速增加約17%，每秒冷媒交換率增加到約20%，實測出風口溫度降低約10℃左右，設備周圍的機房局部環境溫度降低3℃左右，各項參數均明顯改善，使整機熱交換效率大大提高，為設備穩定工作提供良好的環境。

方耀武，工程師。研究方向：無線傳輸發射。