采用熱管散熱功放模塊的數(shù)字電視發(fā)射機(jī)簡介

顧志忠

（遼寧數(shù)字廣播電視設(shè)備集團(tuán)有限公司，遼寧 鞍山 114051）

1 熱管技術(shù)簡介

熱管技術(shù)是20世紀(jì)60年代國外科研人員發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件。它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其傳導(dǎo)熱量能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。經(jīng)過測試可知，熱管的導(dǎo)熱速度是Au的1000倍。熱管技術(shù)以前被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計思路，擺脫了單純依靠高風(fēng)量電機(jī)來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，使得困擾風(fēng)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(shù)的新天地。

為什么熱管會擁有如此良好的導(dǎo)熱能力呢？從熱力學(xué)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(xiàn)熱量從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。熱傳遞有三種方式：輻射、對流、傳導(dǎo)。其中熱傳導(dǎo)最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。

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(nèi)抽成 1.3×10-4～1.3×10-1Pa的負(fù)壓后充以適量的制冷介質(zhì)（液體），使貼緊管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段（吸熱段），另一端為冷凝段（放熱段），根據(jù)應(yīng)用需要可在兩段中間布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時，吸液芯毛細(xì)多孔材料中的液體蒸發(fā)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(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由熱管的一端傳導(dǎo)至另一端。

熱管中的毛細(xì)多孔材料主要有三個作用：一是提供冷凝段液體回流蒸發(fā)段的通道，二是提供內(nèi)壁與液體/蒸汽進(jìn)行熱傳導(dǎo)的通道，三是提供液汽相變產(chǎn)生毛細(xì)壓力所必須的孔隙。毛細(xì)多孔材料可以是粉末燒結(jié)或纖維。

3 應(yīng)用技術(shù)背景

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的廣播電視發(fā)射機(jī)都采用大功率場效應(yīng)管。遼寧數(shù)字廣播電視設(shè)備集團(tuán)有限公司率先采用了具有較高性價比的MRF6VP3450H功放管，單管數(shù)字功率可達(dá)90 W。功放模塊工作狀態(tài)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(dá)到大功率輸出、穩(wěn)定性好的效果。國內(nèi)外生產(chǎn)的廣播電視發(fā)射機(jī)現(xiàn)在普遍采用兩種冷卻散熱方式來降低系統(tǒng)的溫度：一種是強制風(fēng)冷散熱方式，這種方式不能滿足大功率發(fā)射機(jī)的散熱要求，直接影響到發(fā)射機(jī)工作的穩(wěn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，維護(hù)不方便。

經(jīng)過反復(fù)試驗，把熱管散熱技術(shù)應(yīng)用于廣播電視發(fā)射機(jī)功放模塊系統(tǒng)散熱，發(fā)明了廣播電視發(fā)射機(jī)功放模塊熱管冷卻散熱裝置（發(fā)明專利申請受理號：200910012792.3），其結(jié)構(gòu)簡單、冷卻效果好、可靠性高，匯集了國內(nèi)外液冷和風(fēng)冷發(fā)射機(jī)的優(yōu)點，創(chuàng)造了環(huán)保、節(jié)能、靜音、穩(wěn)定可靠的熱管散熱廣播電視發(fā)射機(jī)，圓滿解決了大功率發(fā)射機(jī)功放模塊散熱效果不好的難題。

4 應(yīng)用技術(shù)闡述

廣播電視發(fā)射機(jī)功放模塊熱管冷卻散熱裝置由基板、設(shè)置在基板上（吸熱蒸發(fā)段）和基板兩側(cè)（散熱冷凝段）的熱導(dǎo)管、設(shè)置在熱導(dǎo)管的吸熱蒸發(fā)段上的功放模塊和設(shè)置在熱導(dǎo)管散熱冷凝段上的散熱翅片組成。熱導(dǎo)管內(nèi)裝有制冷介質(zhì)（工作液體）。熱導(dǎo)管由直管段和斜管段組成，其直管段為吸熱蒸發(fā)段。斜管段為散熱冷凝段，且分別設(shè)置在基板的兩側(cè)。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(fā)段和冷凝段）通過機(jī)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(dǎo)熱金屬紫銅制作，熱管采用紫銅燒結(jié)式熱管，翅片采用熱導(dǎo)系數(shù)很小的合金鋁型材制作。熱管內(nèi)的工作介質(zhì)為具有很低蒸發(fā)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(shè)置的作用是提供散熱冷凝段工作液體回流到吸熱蒸發(fā)段的通道。基板上設(shè)置功放模塊的數(shù)量可根據(jù)發(fā)射機(jī)功率大小確定。其確定方法為：根據(jù)發(fā)射機(jī)要求功率確定功放單元的數(shù)量和功率，再根據(jù)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(shù)量。如1 kW數(shù)字發(fā)射機(jī)，若劃分4個功放單元，則每個功放單元功率至少要達(dá)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(jù)廣播電視發(fā)射機(jī)功放模塊熱流密度要求進(jìn)行改變設(shè)計。可以增加熱管和翅片的數(shù)量，也可以改變翅片的材質(zhì)，采用熱導(dǎo)系數(shù)更小的銅制散熱翅片增強散熱能力，更有效地滿足系統(tǒng)溫度要求。而熱導(dǎo)管斜管段（散熱冷凝段）的角度可與廣播電視發(fā)射機(jī)整機(jī)機(jī)箱和功率保持一致。一般斜管段的角度在5°左右。熱導(dǎo)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(guān)熱參數(shù)決定。

其工作過程是：

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

2）熱導(dǎo)管內(nèi)的制冷介質(zhì)受熱在熱導(dǎo)管吸熱蒸發(fā)段內(nèi)的液—汽分界面上汽化；

3）蒸汽在壓差下從熱導(dǎo)管直管吸熱蒸發(fā)段流到熱導(dǎo)管斜管散熱冷凝段；

4）蒸汽在熱導(dǎo)管斜管散熱冷凝段內(nèi)的汽—液分界面上凝結(jié)成液體，回流到熱導(dǎo)管的吸熱蒸發(fā)段，如此反復(fù)循環(huán)，熱量被源源不斷傳導(dǎo)出來；

5）熱量從熱導(dǎo)管散熱冷凝段上的散熱翅片散出，由軸流風(fēng)機(jī)引出。

5 性能比較

功放管技術(shù)指標(biāo)比較見表1。

冷卻散熱效果比較見表2。

表1 功放管技術(shù)指標(biāo)比較

表2 冷卻散熱效果比較

6 整機(jī)優(yōu)良性能簡介

1）功放管采用MRF6VP3450H，整機(jī)效率達(dá)到25%～30%，大大節(jié)約了運行成本，節(jié)能減排（整機(jī)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(shù)量少，降低了整機(jī)故障。

3）由于熱管具備較好的導(dǎo)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(hù)成本。

4）整機(jī)采用了145FZY2-S軸流風(fēng)機(jī)，其引風(fēng)效果好，噪聲低，節(jié)能環(huán)保，提高了整機(jī)效率。

5）整機(jī)體積小（1760 mm×577 mm×1000 mm）。

6）整機(jī)加工工藝采用具有世界先進(jìn)水平的全自動柔性加工生產(chǎn)線加工，整機(jī)工藝達(dá)到世界先進(jìn)水平。

7）自主開發(fā)的計算機(jī)監(jiān)控軟件，全中文人機(jī)對話界面。

7 應(yīng)用前景及社會經(jīng)濟(jì)效益

熱管冷卻散熱技術(shù)在廣播電視發(fā)射機(jī)制造中的成功應(yīng)用是對傳統(tǒng)的發(fā)射機(jī)風(fēng)冷散熱、水冷散熱方式的一次革命和創(chuàng)新；圓滿地解決了困擾大功率發(fā)射機(jī)風(fēng)冷散熱效果不好、噪音大的問題和水冷散熱造價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維護(hù)的缺陷；其應(yīng)用技術(shù)新穎，設(shè)計思路獨特，裝置結(jié)構(gòu)合理，簡單實用，方便維護(hù)，冷卻散熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱和水冷散熱方式；大大降低了發(fā)射機(jī)的制造成本，提高了發(fā)射機(jī)工作的穩(wěn)定性和使用壽命，具有良好的應(yīng)用推廣前景和巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益；是全國各廣播電視臺（站）首選的技術(shù)先進(jìn)、具有較高性價比的適用設(shè)備。