新一代天氣雷達系統熱設計與技術分析

陳德生，魏延濤，常 越，崔炳儉

(1.河南省氣象局氣象信息網絡與技術保障中心，河南鄭州 450003;2.成都信息工程學院電子工程學院，四川成都 610225;3.鄭州市氣象局大氣探測技術保障中心，河南鄭州 450005)

根據中華人民共和國國家軍用標準(GJB/Z 27－92)規定，熱設計的目的是控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環境條件下，不超過標準及規范所規定的最高溫度，最高允許溫度的計算應以元器件的應力分析為基礎，并與產品的可靠性要求及分配給每個元器件的失效率相一致，溫度變化可能改變電子芯片及電路板組件的電子特性和物理特性，從而引起運行失敗或故障。新一代天氣雷達系統的熱設計是指電子設備的耗熱元器件以及整機或系統采用合適的冷卻技術和結構設計，以便對它們的溫升進行控制，從而保證雷達設備或者整個機房穩定、可靠地工作。

1 雷達設備散熱結構

1.1 雷達運行環境標準

隨著芯片集成度和功率密度的日益提高，設備的溫度成為系統工作穩定和性能提升的障礙，設計人員，除了成功實現產品功能之外，還需考慮產品的穩定性、工作壽命和環境適應能力等，而這些都與溫度有著直接或間接的關系。

溫度和故障率的關系成正比［1］，可以用式(1)表示

其中，F=故障率;A為常數;E為功率;K為玻爾茲曼常量(8.63e－5 eV/K)，T為結點溫度。

新一代天氣雷達機房溫度根據美國采暖、制冷與空調工程師學會ASHRAE TC9.9(American Society of Heating，Refrigerating and Air－ Conditioning Engineers，Inc)標準制定［2］，保持在72F/22C，為保證氣象雷達系統穩定可靠地運行，對運行環境提出了較高的制冷要求，必須建立精確的制冷管理系統。自1965年以來，氣象雷達布局結構和產品性能在過去的幾十年間發生了質的變革，但機房數據中心的冷卻設計卻變化不大，基本采用強迫風冷和房間級制冷方式，現在全國氣象部門正在使用的新一代天氣雷達現狀，就是2～3臺空調，提供平均制冷功率不小于30 kW的制冷方案。本數據資料中的5個雷達站所用制冷功率均在28 kW以上，機房內雷達設備主要消耗功率18.4 kW。

表1 新一代天氣雷達各分機單元功率表

其中發射機速調管是系統的主要發熱體，速調管放大器的增益約為50 dB，經電弧及反射保護器后，發射機的輸出功率不小于650 kW。全固態調制器是發射機的重要組成部分，它將交流電能轉變成直流電能，轉變成峰值功率約2 MW的脈沖能量，調制器輸出的2 MW調制脈沖饋至高壓脈沖變壓器初級，經脈沖變壓器升壓，在其次級產生60～65 kV負高壓脈沖，加在速調管陰極，提供速調管工作所需的電壓和能量，稱之為束電壓脈沖。與之相應的流經速調管的電流脈沖稱為束電流脈沖，束脈沖所包含的能量中，約1/3轉變為發射機的輸出高頻能量，約2/3消耗在速調管收集極和管體，使其發熱，速調管風機用于耗散這部分熱量，主要采用強迫風冷的散熱結構［3－4］。

速調管插在聚焦線圈之中，其電子束大致位于線圈的中心線上，磁場電源將約22 A的直流電流輸入聚焦線圈，從而產生沿速調管軸線的直流磁場，磁場阻止電子發散，而將其聚成細束，磁場電源輸出的能量，全部消耗在線圈上，使其發熱。發射機機柜溫度報警閾值設置為60～80℃之間，當超出設定的閾值時，雷達系統報設備方艙過溫信息。圖1為氣象雷達發射機原理框圖［1］。

圖1 氣象雷達發射機框圖

1.2 雷達系統熱分析

房間級制冷是實現數據中心冷卻的傳統方法，在這種方式中，通過一臺或多臺并行工作的空調系統將冷空氣輸送到數據中心，空調系統對雷達設備的作用就是高效率地收集這些復雜的熱氣流并將其所攜帶的熱量排出機房，這種方式的工作原理是空調機不僅提供原始制冷量，還要充當一個大型混合器，在機房內不斷攪拌和混合空氣，使之達到均勻的平均溫度，防止熱點出現，新一代天氣雷達發射機部分采用的是強迫風冷的散熱結構。

根據牛頓冷卻公式，流體被冷卻時

其中，tw及tf分別為壁面溫度和流體溫度［5］;用 Δt表示溫差，并取Δt為正，則牛頓冷卻公式表示為

其中，h為比例系數，單位W/m2K，代表單位溫差作用下通過單位面積的熱流量，主要與冷熱通道結構、工作電壓、風流量、噪聲、材料、對流結構、傳導系數等因素有關;q為熱流密度，單位W/m2;t為溫差，單位K。

強迫空氣冷卻是最常用的冷卻方式之一，其換熱系數一般在10～30 W/m2℃范圍內，它主要應用在熱流密度不超過0.31 W/cm2的設備中，在熱設計中，根據熱功耗、環境溫度、元器件工作溫度等因素來設計風道和風量，依據工作電壓、氣流量、風壓損失、噪音等情況來選擇風機和安裝方式，并合理安排發熱元器件位置，這種冷卻方式具有結構簡單、設備量少、成本低等優點，現有的新一代天氣雷達發射機柜制冷方式采用一個離心風機和3個軸流風機的強迫散熱方式［6］。

2 新一代天氣雷達熱報警數據分析

2.1 溫度報警分析

作為新一代天氣雷達可靠性熱設計的重要指標，機房溫度和設備方艙超溫報警是影響熱可靠性的重要參考數據，匯總分析 2008～2010年河南省 5部CINRAD SB雷達的報警信息，由圖表看出，溫度報警在影響系統的所有報警中，占36.5%，是影響雷達設備可靠性的主要因素［7］，冷卻系統不穩定、散熱結構不合理、誤操作和人為原因是造成報警多的主要原因。

表2 00雷達設備設備方艙過溫報警頻次

2.2 需要解決的問題和難點

分析新一代天氣雷達運行環境的報警數據，從空調機功率、制冷量分配、空調布局、風機參數、噪音、設備冗余等，存在著可能性難題，為提高整個雷達系統的穩定性和可靠性，對現有機房環境中的制冷結構和散熱方式需要進行優化和改進。

表3 雷達設計可能性難題及分析

3 冷卻系統的調整和優化

3.1 動力環境中各類信息的采集和監控

雷達運行環境級別主要包括:設施溫度與濕度測試;設備布置與氣流流型;設備制造商的熱負荷與風量要求值等內容，增加機房動力環境監測單元，實現對環境的視頻監控與信息采集，監測關鍵點的工作溫度，包括環境溫度和熱點溫度，確保系統穩定運行［8］。

3.2 冷熱通道調整

對系統的冷熱通道進行的結構優化，采用冷通道封閉管理，精確分配制冷量，按需動態送風的模式，控制氣流是制冷系統設計的主要目標。為解決這一問題，實現將空調系統與機柜排或單獨的機柜集成，確保向數據中心或發射機柜內的所有發熱設備提供所需的輸入溫度和氣流，這樣可以使可預測性大大提升，并解決了更高密度的散熱和提升效率。

3.3 機房結構優化

隨著精確制冷的發展，出現了新的行級或機柜級制冷的設計方式，熱設計正逐步形成從機房級制冷轉向行級制冷的趨勢。通過高架地板和修改線纜桁架，提供落地式和吊頂式空調送風，緊靠熱源的制冷方案可實現更高的能效目標。在線纜架上、風機入口處提供精確的制冷量分配，通過制冷容量與熱負載精確匹配，在適當的時間和地點部署制冷設備，將冷空氣分配至各負載，防止冷熱空氣混合和消除熱點來降低制冷損耗，使熱設計最優化，以提高可靠性。

4 結束語

根據新一代天氣雷達系統的工作原理和系統架構，分析3年來6部雷達的狀態數據，找出報警成因和故障疑難點，實現對工作環境的數據采集和視頻監控，通過對制冷設備、冷熱風道、機房架構等設備和布局的優化和調整，確保向數據中心或發射機柜內的所有發熱設備提供所要求的輸入溫度和氣流，調整布局，降低熱點，提高熱設計單元的可測性、可靠性和穩定性，延長新一代天氣雷達系統平均無故障工作時間(MTBF)［9］，提出了將供電、制冷、監控和管理組件整合成全面、一體化的解決方案。模塊化、可擴充、預工程化和標準化的解決方案是下一代天氣雷達熱設計的行業標準和發展方向。

［1］丁連芬.電子設備可靠性熱設計手冊［M］.北京:電子工業出版社，1989.

［2］ASHRAE TC 9.9.數據處理環境熱指南［M］.沈添鴻，楊國榮，陳巍，等，譯.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［3］陳德生.河南省新一代多普勒天氣雷達應用指南［M］.北京:氣象出版社，2009.

［4］北京敏視達雷達有限公司.中國新一代多普勒天氣雷達CINRAD/SA用戶手冊［M］.北京:北京敏視達雷達有限公司，2004.

［5］余建祖，謝永奇.電子設備熱設計及分析技術［M］.北京.北京航空航天大學出版社，2008.

［6］周紅根，高玉春，胡帆，等.CINRAD/SA雷達頻綜故障檢修方法［J］.氣象，2009，35(10):113 －118.

［7］YAN Li.The application and development of reliability technology［J］.Environmental Technology，2003(2):28 －32.

［8］徐八林，楊松福，何躍，等.CINRAD/CC雷達發射機磁場電源故障診斷與調試［J］.氣象，2010，36(2):126 －129.

［9］胡東明，伍志方.CINRAD/SA雷達日常維護及故障診斷方法［J］.氣象，2003，29(10):26－28.