短波大功率電子管發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)應(yīng)用

田曙光

【摘 要】發(fā)射機(jī)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(lái)選擇的；同時(shí)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)性諸方面因素，以求既能滿足設(shè)備散熱設(shè)計(jì)要求，且整機(jī)電氣性能指標(biāo)合格、工作穩(wěn)定可靠。本文首先簡(jiǎn)介短波發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)基本工作原理和運(yùn)行方式；而后著重對(duì)空氣冷卻和液體冷卻進(jìn)行細(xì)致分析；最后，結(jié)合TSW2500型發(fā)射機(jī)，對(duì)兩種冷卻方式在大功率電子管發(fā)射機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)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(jī)是一個(gè)復(fù)雜龐大的電子系統(tǒng)，內(nèi)部集成了各種規(guī)格、型號(hào)的電子元器件，其功率密度要求在正常工作時(shí)，須具備良好的通風(fēng)、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(jìn)步，發(fā)射機(jī)的組裝密度、功率密度不斷提高也已成為當(dāng)前發(fā)展的重要標(biāo)志。

1 發(fā)射機(jī)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(jī)的運(yùn)行可靠性，冷卻系統(tǒng)一直是作為整個(gè)工作使用過(guò)程中的重要一環(huán)。在進(jìn)行發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合發(fā)射機(jī)本身的實(shí)際情況，從以下幾個(gè)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(jī)內(nèi)需要進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)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(biāo)應(yīng)大于等于主系統(tǒng)分配給冷卻系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)要求。冷卻系統(tǒng)中的元器件的可靠性指標(biāo)應(yīng)該符合冷卻系統(tǒng)可靠性指標(biāo)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(jì)中必須有一定的裕量，以適應(yīng)工程上的變化和長(zhǎng)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(hù)簡(jiǎn)便。

5）冷卻系統(tǒng)應(yīng)有良好的安全設(shè)計(jì)。加強(qiáng)電氣安全設(shè)計(jì)，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件以及采用的冷卻介質(zhì)等對(duì)操作人員應(yīng)無(wú)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(jì)的冷卻系統(tǒng)要有優(yōu)良的性價(jià)比。其成本核算應(yīng)包括初次的投資成本、日常運(yùn)行以及長(zhǎng)期維護(hù)費(fèi)用等。

2 空氣冷卻

采用空氣來(lái)冷卻發(fā)射機(jī)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(jiǎn)單，設(shè)備成本低，維護(hù)比較方便。空氣冷卻又分為自然風(fēng)冷與強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種方式，其中，以自然風(fēng)冷最為簡(jiǎn)單。強(qiáng)迫風(fēng)冷又可劃分為開(kāi)放式風(fēng)冷和閉式空調(diào)風(fēng)循環(huán)冷卻。

2.1 自然風(fēng)冷

自然風(fēng)冷也稱為低壓風(fēng)冷卻。下文結(jié)合大功率發(fā)射機(jī)具體闡述。

2.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷

2.2.1 強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)原理

發(fā)射機(jī)設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)功率，達(dá)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(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)基本原則

1）確定冷卻空氣進(jìn)氣溫度及壓力，確定每一元器件的允許溫度。

2）強(qiáng)迫通風(fēng)的氣流方向應(yīng)與自然對(duì)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(jìn)口端），發(fā)熱大或耐溫高的元件排列在氣流出口端。

3）強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，防止氣流短路。當(dāng)器件在較高的進(jìn)風(fēng)溫度下工作時(shí)，一定要將進(jìn)風(fēng)溫度為20℃所得出的計(jì)算加以修正，并推算到相應(yīng)進(jìn)風(fēng)溫度時(shí)的實(shí)際情況。

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

5）在選擇、安置風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)充分考慮到振動(dòng)、噪音以及濾塵等問(wèn)題。

6）盡量使管道密封，所有搭接臺(tái)階都應(yīng)順著氣流流動(dòng)方向。進(jìn)風(fēng)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(jī)上的實(shí)際應(yīng)用

TSW2500型大功率電子管發(fā)射機(jī)的RF機(jī)箱、控制機(jī)箱和TSM部分，是通過(guò)低壓風(fēng)冷卻的。根據(jù)當(dāng)?shù)販囟拳h(huán)境可選擇新鮮風(fēng)、混合風(fēng)或循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)。機(jī)房實(shí)際中采用的是循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)。

機(jī)房?jī)?nèi)的暖風(fēng)經(jīng)精密空調(diào)凈化和冷卻后，經(jīng)過(guò)通風(fēng)柜頂部循環(huán)風(fēng)百葉窗被低壓風(fēng)機(jī)抽入，再次經(jīng)粗粒灰塵過(guò)濾網(wǎng)和細(xì)粒灰塵過(guò)濾網(wǎng)由風(fēng)筒送入RF機(jī)箱和TSM部分。RF機(jī)箱內(nèi)的空氣溫度變高后，通過(guò)機(jī)箱頂部的開(kāi)口排出機(jī)箱外。在風(fēng)筒上裝有外擴(kuò)散開(kāi)口，用于給TSM放大器提供風(fēng)冷，把冷風(fēng)吹向TSM機(jī)箱的后部。一方面，冷風(fēng)在TSM機(jī)箱內(nèi)對(duì)功率模塊冷卻吹風(fēng)后溫度升高排出機(jī)箱外，另一方面，冷風(fēng)也對(duì)TSM變壓器進(jìn)行冷卻。機(jī)房?jī)?nèi)的熱空氣再通過(guò)精密空調(diào)送達(dá)通風(fēng)柜頂部循環(huán)風(fēng)百葉窗流入通風(fēng)柜。

低壓風(fēng)機(jī)由發(fā)射機(jī)控制部分的配電箱供電，風(fēng)百葉窗或混合風(fēng)門由低壓分配柜A200供電。風(fēng)過(guò)濾網(wǎng)通過(guò)風(fēng)差壓開(kāi)關(guān)來(lái)監(jiān)測(cè)，如果過(guò)濾網(wǎng)嚴(yán)重阻塞，導(dǎo)致風(fēng)壓過(guò)低，風(fēng)差壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作，發(fā)出一個(gè)故障信號(hào)給發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)，表示到發(fā)射機(jī)的冷卻風(fēng)量不足。射頻機(jī)箱內(nèi)進(jìn)風(fēng)口處安裝有風(fēng)量檢測(cè)開(kāi)關(guān)K131，如果低壓風(fēng)冷系統(tǒng)發(fā)生故障，K131斷開(kāi)，送出一個(gè)故障信號(hào)送到發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)，使發(fā)射機(jī)退到黑燈絲“AUX”狀態(tài)，故障信息顯示“低壓風(fēng)丟失”。

表1 低壓風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

發(fā)射機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，通常將強(qiáng)迫風(fēng)冷稱為高壓風(fēng)冷。發(fā)射機(jī)高末級(jí)電子管、驅(qū)動(dòng)級(jí)電子管和陰極阻尼電阻所產(chǎn)生的熱量都是通過(guò)強(qiáng)迫風(fēng)冷（高壓風(fēng)冷）來(lái)散熱的。

高壓風(fēng)機(jī)安裝在射頻機(jī)箱3#門后的底層機(jī)箱間隔內(nèi)，通過(guò)一根硬風(fēng)管以及一些軟風(fēng)管來(lái)輸送高壓風(fēng)，把高壓風(fēng)吹向驅(qū)動(dòng)級(jí)管座和阻尼電阻等器件，射頻末級(jí)電子管座則直接與軟風(fēng)管相連。

表2 高壓風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

高壓風(fēng)機(jī)電源由發(fā)射機(jī)配電箱中配電板上的三相400 VAC主電源供給。高壓風(fēng)機(jī)通過(guò)接觸器KM53來(lái)開(kāi)啟，KM53受發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)的控制。用一個(gè)過(guò)流釋放和熱保護(hù)繼電器FR53用來(lái)保護(hù)風(fēng)機(jī)，防止它過(guò)載；當(dāng)過(guò)載時(shí)，熱保護(hù)繼電器FR53會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過(guò)載信號(hào)送到發(fā)射機(jī)的控制系統(tǒng)，使發(fā)射機(jī)切換到“AUX”狀態(tài)。在射頻末級(jí)電子管TH576的管座旁安裝了一個(gè)風(fēng)量檢測(cè)開(kāi)關(guān)K132，例如，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，K132斷開(kāi)，送出“高壓風(fēng)丟失”故障信號(hào)到發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)，使發(fā)射機(jī)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(jī)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(dāng)受熱上升的液體運(yùn)動(dòng)中直接與機(jī)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(duì)流，把熱量散發(fā)出去。

2）直接強(qiáng)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(guò)而得到充分的換熱，受熱后的液體再通過(guò)換熱器將熱量散發(fā)出去，這一過(guò)程大大提高了電子器件冷卻效率，它是一個(gè)密封循環(huán)系統(tǒng)。在大功率整流管和功率三、四極管的陽(yáng)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(jī)上的實(shí)際應(yīng)用

大功率發(fā)射機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，其液體冷卻介質(zhì)的選擇尤為重要，因?yàn)榘l(fā)射機(jī)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(shuō)的水冷。在調(diào)試發(fā)射機(jī)水路時(shí)，要用到兩種水質(zhì)的水，清洗整機(jī)水路可用自來(lái)水，而冷卻系統(tǒng)運(yùn)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(jī)水冷系統(tǒng)采用直接強(qiáng)迫液體冷卻方式冷卻所有的大功率元器件，計(jì)有：整個(gè)末級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)電子管、調(diào)諧線和真空電容。強(qiáng)迫液冷的水冷回路設(shè)計(jì)成一個(gè)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(dǎo)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(fēng)水熱交換器（即冷凝器），進(jìn)而散發(fā)到空氣中。

TSW2500型發(fā)射機(jī)射頻末級(jí)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(guò)蒸發(fā)鍋，帶走屏極剛剛產(chǎn)生的蒸汽泡，通過(guò)流經(jīng)冷凝器進(jìn)行冷卻。理論上，該機(jī)型的設(shè)計(jì)出水溫度可達(dá)到90℃，但在實(shí)際播音中一般在70℃左右，水溫的實(shí)際值取決于發(fā)射機(jī)調(diào)幅度的大小。該機(jī)冷卻系統(tǒng)具有非常高的熱耗散比，從而確保了高末級(jí)大功率電子管TH576的運(yùn)行使用安全。

此外，發(fā)射機(jī)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(duì)模塊兩個(gè)IGBT、整流二極管、熱保護(hù)開(kāi)關(guān)組成的功率元器件部分進(jìn)行冷卻。

表3 水冷系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，短波大功率電子管發(fā)射機(jī)的載波功率已達(dá)幾百千瓦以上，其中的電子管等真空器件均需采用強(qiáng)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(duì)矛盾，現(xiàn)在一般采用強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻。低壓電源及其它電子線路，就采用自然風(fēng)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(lái)設(shè)計(jì)確定。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]