某發(fā)射機柜熱管理優(yōu)化技術(shù)

盧 建，劉一鳴，譚公禮

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州 225001）

0 引言

發(fā)射機柜是雷達的重要組成單元，其中包含了大量的發(fā)熱元器件，如行波管、油箱、調(diào)整管單元和相應(yīng)的電源模塊及電路等[1]；這些功率器件的可靠性直接關(guān)系到整體機柜的長壽命工況性能，而熱性能作為影響可靠性的關(guān)鍵因素必須重點關(guān)注[2]?，F(xiàn)階段發(fā)射機柜結(jié)構(gòu)集成度較高，核心器件功率損耗層層積累，同時存在局部過熱的器件，導(dǎo)致機柜空間內(nèi)的熱流密度逐步增加；另外針對高溫、高濕和高鹽霧的使用環(huán)境特點，對發(fā)射機柜的防腐提出了更高的要求，因此發(fā)射機柜整體的熱管理技術(shù)面臨著更加嚴峻的考驗[3]。

本文針對發(fā)射機柜中行波管局部過熱及機柜內(nèi)電子器件的防腐等突出矛盾，采用鑄鋁密閉機柜結(jié)合氣液換熱裝置的形式對發(fā)射機柜進行熱管理優(yōu)化設(shè)計，解決了機柜在高溫高濕高鹽霧環(huán)境下的密閉性及行波管局部過熱的散熱難題[4]。

1 問題描述

某雷達中原發(fā)射機柜為鈑金機柜，機柜內(nèi)部電子器件采用風(fēng)冷散熱方式，將環(huán)境中的冷風(fēng)通過機柜底部風(fēng)道抽入機柜中，對內(nèi)部的電子器件進行散熱，經(jīng)換熱后的熱空氣在機柜頂部風(fēng)機的抽吸力下經(jīng)風(fēng)道排放到外部環(huán)境中；其中行波管處采用離心風(fēng)機進行散熱，熱空氣通過機柜后門的出風(fēng)口直接排放至外部環(huán)境。

原發(fā)射機柜熱設(shè)計方案中，機柜內(nèi)部環(huán)境與外界大氣環(huán)境相通，在高溫高濕高鹽霧的使用環(huán)境中，機柜內(nèi)電子器件的腐蝕問題無法解決，電子器件的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性無法保證。

2 熱管理優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案思路

針對高溫、高濕、高鹽霧的使用環(huán)境特點，某雷達發(fā)射機柜采用鑄鋁密閉機柜進行優(yōu)化設(shè)計，由純風(fēng)冷散熱改為水冷散熱形式，需要配套相應(yīng)的水冷環(huán)控裝置。水冷環(huán)控裝置由水冷機柜、機柜背部加裝的氣液換熱裝置及相應(yīng)的管路構(gòu)成。水冷機柜實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)水和外循環(huán)水的熱交換，為各氣液換熱裝置提供滿足使用要求的二次內(nèi)循環(huán)冷卻液，同時統(tǒng)一控制各設(shè)備機柜的氣液換熱裝置工作，保證設(shè)備機柜內(nèi)的溫度及濕度[5-6]。某雷達機柜的水冷散熱方案如圖1所示。

圖1 某機柜水冷散熱方案

2.2 熱管理優(yōu)化方案

發(fā)射機柜熱耗總共約為2 500 W，按行波管熱耗和其他模塊熱耗分別進行處理，因此氣液換熱器內(nèi)部換熱單元分為兩個獨立部分進行設(shè)計，設(shè)計有兩個出風(fēng)口，可以為兩部分熱源單獨送風(fēng)。

行波管出口通風(fēng)機結(jié)構(gòu)形式調(diào)整，設(shè)置獨立的風(fēng)道與氣液換熱裝置的回風(fēng)口直接連接以保證冷卻風(fēng)量，利用頂部插箱原波導(dǎo)饋線穿越處的多余空間進行設(shè)計，行波管出口的離心風(fēng)機保持原風(fēng)機型號（風(fēng)量150 m3/h），并在氣液換熱裝置中通過匹配的專用風(fēng)機進行循環(huán)。行波管處的散熱風(fēng)道如圖2所示。

圖2 行波管散熱風(fēng)道示意

圖3 行波管散熱空氣流向示意

行波管散熱空氣流向如圖3 所示，氣液換熱裝置提供的冷卻風(fēng)從出風(fēng)口1送至機柜內(nèi)行波管的吸風(fēng)口下方，行波管處的離心風(fēng)機將冷卻風(fēng)吸入行波管中進行換熱，熱空氣通過獨立風(fēng)道送至回風(fēng)口1，被氣液換熱裝置中的循環(huán)風(fēng)機吸入內(nèi)部散熱器與冷卻液進行熱交換，制出冷卻風(fēng)再送至機柜內(nèi)，完成行波管處散熱空氣的循環(huán)。

對機柜內(nèi)其他模塊的散熱（熱耗總計約為900 W），設(shè)置單獨的回風(fēng)口、出風(fēng)口。由于該部分熱源在發(fā)射機柜內(nèi)部分布位置比較特殊，接近500 W 的熱源主要集中在機柜底部，而氣液換熱裝置底部出風(fēng)口位置相對較高，為使冷卻風(fēng)流場順暢，出風(fēng)口處需做旁路風(fēng)道將冷卻風(fēng)引至機柜底部，保證機柜底部調(diào)整管單元及其他模塊的散熱風(fēng)量。機柜底部模塊散熱風(fēng)道設(shè)計示意如圖4所示。

圖4 機柜底部模塊散熱風(fēng)道示意

圖5 氣液換熱裝置風(fēng)道設(shè)計

2.3 氣液換熱裝置設(shè)計

氣液換熱裝置的基本風(fēng)道設(shè)計如圖5 所示。氣液換熱裝置內(nèi)部換熱單元分為兩個獨立部分進行設(shè)計，設(shè)計兩個出風(fēng)口，可以分別為行波管和其他模塊的熱源單獨送風(fēng)進行散熱[7-8]。

氣液換熱裝置回風(fēng)口1 與機柜內(nèi)部行波管處的獨立風(fēng)道直接相連，選擇匹配風(fēng)量的風(fēng)機，將經(jīng)行波管換熱后的空氣抽入氣液換熱裝置內(nèi)，內(nèi)部的散熱器1為獨立模塊，具有不小于1 600 W熱耗的冷卻能力。經(jīng)散熱器1冷卻后的空氣從出風(fēng)口2出風(fēng)，通過旁路風(fēng)道送入機柜底部，為機柜底部的油箱及調(diào)整管單元提供冷卻風(fēng)。機柜內(nèi)部的其余模塊換熱后的熱空氣由循環(huán)風(fēng)機經(jīng)回風(fēng)口2 抽入換熱器，經(jīng)內(nèi)部散熱器2 冷卻后，由出風(fēng)口1 送至機柜內(nèi)。散熱器2 為獨立模塊，具有不小于900 W熱耗的冷卻能力。

3 熱管理優(yōu)化仿真分析

某發(fā)射機柜仿真模型如圖6 所示，針對某發(fā)射機柜的熱管理優(yōu)化方案進行了仿真分析，設(shè)置仿真邊界條件為：環(huán)境溫度50 ℃，氣液換熱器的總循環(huán)風(fēng)量為435 m3/h，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 某發(fā)射機柜仿真模型

圖7 機柜內(nèi)部流場分析（去機柜）

從發(fā)射機柜內(nèi)部的流場仿真分析結(jié)果可知，機柜內(nèi)部流場比較順暢，流經(jīng)行波管處的風(fēng)量為153 m3/h，能夠滿足行波管散熱的風(fēng)量指標(biāo)要求。

4 熱測試驗證

為驗證發(fā)射機柜熱管理優(yōu)化的效果，開展相關(guān)換熱性能測試，測試方案如圖8 所示。將氣液換熱裝置安裝于密閉機柜背部，風(fēng)罩內(nèi)布置加熱器以模擬行波管發(fā)熱，加熱功率為1 600 W；在機柜內(nèi)部均勻布置幾組加熱器以模擬其他電子設(shè)備散熱，加熱功率900 W。具體測試步驟如下。

（1）將風(fēng)罩、離心風(fēng)機及風(fēng)道通過機柜內(nèi)部設(shè)計的彎角件固定好（局部可用鐵絲進行輔助固定），風(fēng)罩底部擋風(fēng)板及氣液換熱器先不安裝。

（2）給離心風(fēng)機通電運行，用手持風(fēng)速儀測量風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)速，選9個測點測量風(fēng)速，取平均值作為出風(fēng)口風(fēng)速值；再用卷尺測量風(fēng)道出風(fēng)口面積，計算風(fēng)道出口處風(fēng)量值，并記錄測試數(shù)據(jù)。

（3）將風(fēng)罩底部的擋風(fēng)板（含1.6 kW 的模擬熱源）安裝好，給離心風(fēng)機通電運行，用手持風(fēng)速儀測量風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速，選9 個測點測量風(fēng)速，取平均值作為出風(fēng)口風(fēng)速值，結(jié)合測出的風(fēng)道出風(fēng)口面積，計算風(fēng)道出口處風(fēng)量值，并記錄測試數(shù)據(jù)。

圖8 熱測試方案

（4）測試結(jié)束后切斷離心風(fēng)機供電。

經(jīng)風(fēng)量測試、行波管熱負載測試、氣液換熱裝置常溫換熱性能測試及高溫換熱性能測試等試驗，鑄鋁密閉機柜結(jié)合氣液換熱裝置的熱管理優(yōu)化方案能夠解決發(fā)射機柜的行波管散熱及機柜密閉性的要求。

5 結(jié)束語

本文針對高溫、高濕及高鹽霧環(huán)境下某發(fā)射機柜內(nèi)電子器件防腐及行波管局部過熱等突出矛盾，采用鑄鋁密閉機柜結(jié)合氣液換熱裝置的形式對發(fā)射機柜進行熱管理優(yōu)化設(shè)計，并進行了仿真分析及試驗驗證。試驗結(jié)果表明：鑄鋁密閉機柜結(jié)合氣液換熱裝置的熱管理優(yōu)化方案能夠滿足發(fā)射機柜的行波管散熱及機柜密閉性的要求。