熱管技術在衛(wèi)星地面站高功放散熱中的應用

寧業(yè)強，羅雪松，周軍，宋忠波，王洪林

（中國衛(wèi)通集團有限公司，北京　100094）

熱管技術在衛(wèi)星地面站高功放散熱中的應用

寧業(yè)強，羅雪松，周軍，宋忠波，王洪林

（中國衛(wèi)通集團有限公司，北京100094）

本文以CPI GENIV3kW速調(diào)管散熱遇到的問題為著眼點，介紹了不良空氣質(zhì)量影響CPI GENIV3kW速調(diào)管運行穩(wěn)定性和壽命的解決辦法。CPI GENIV3kW速調(diào)管功放風冷空氣經(jīng)過所有的高壓電極，高濕度、含有各種懸浮顆粒物以及污染物的空氣嚴重影響設備的穩(wěn)定運行和使用壽命，導致維護難度高，維護保養(yǎng)中斷時間長；鑒于設備運行空間受限和運行耗能大，基于傳統(tǒng)空氣過濾方法的強制風冷、以及基于空調(diào)制冷的機房內(nèi)循環(huán)風冷，都難以兼顧既節(jié)能又較好保障速調(diào)管安全運行的目的；熱管換熱系統(tǒng)能效比最高可達15年以上，極其適用于那些局部溫度遠遠高于室外，而且因為室外環(huán)境的粉塵和空氣污染無法敞開式散熱的環(huán)境。

高功放；散熱；熱管；節(jié)能環(huán)保

1　引言

在衛(wèi)星測控、廣播電視傳輸、通信關口站等重要、大型的衛(wèi)星地面站中，為滿足EIRP需要，常采用大功率高功放，并將射頻機房建設在天線基座旁邊，以便減少饋線損耗，這是一種常見布局方式。本文主要是針對此類機房中高功放的散熱問題加以討論，并根據(jù)理論分析和實踐探索驗證后，提出利用熱管技術改進既有的散熱方式，達到以較高的性價比解決功放故障（損壞）率、維護難等問題的目的。

2　熱耗分析

射頻機房中諸如上下變頻器、場放控制器、天線控制器等設備，雖然數(shù)量眾多，但單機熱耗都非常小，通常這些設備的總熱耗不超過300瓦，本文不加以討論。機房內(nèi)主要的熱耗設備是大功率的高功放，其熱耗功率通常達到千瓦量級。以筆者所在衛(wèi)星地面站使用的某公司生產(chǎn)的GenIV 3千瓦C波段速調(diào)管高功放為例，其相關功率數(shù)據(jù)如表1。

表1　Gen IV 3千瓦C波段速調(diào)管高功放功率數(shù)據(jù)［1］

從表1可以看到，通常情況下，速調(diào)管的熱耗功率大約為4千瓦。根據(jù)資料，極限情況下，高功放整機的熱耗功率可以達到7千瓦［2］。為了保障可靠性，衛(wèi)星地面運行系統(tǒng)一般都配備兩臺同樣設備，構(gòu)成1主1備高功放冗余系統(tǒng)，這樣總的熱耗功率可以高達10千瓦以上。高功放散熱采用的是強迫風冷方式，指標要求在海拔高度為0米、進風溫度在23℃條件下，單臺高功放所需的最小氣流量為175cfm（約200m3/h），而實際上高功放散熱風機氣流量能夠達到300cfm（約500m3/h）［2］。

3　目前散熱方式存在的問題

由于射頻機房建設在天線基座旁邊，出于成本考慮以及其他條件限制，內(nèi)部面積一般在30m2至50m2之間，假設機房高度為3m，則容積大致在90m3至150m3之間。可以想象，要在如此小的空間中，保證高功放可靠的散熱，具有很高的難度，目前的幾種散熱方式存在的問題也充分證實了這一點，以下分別予以說明。

3.1熱氣直排室外+小功率空調(diào)方式

散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如機房布局圖1所示。

圖1　直排室外+小功率空調(diào)

此種結(jié)構(gòu)中，高功放通過自身散熱風機，將大量熱氣直接排到室外，對室內(nèi)溫度基本不會有影響。機房散熱系統(tǒng)只需要室內(nèi)有1臺小功率空調(diào)，就可以保持溫度在25℃左右，達到高功放進氣溫度的要求。不過這種結(jié)構(gòu)存在極大的問題：

一是兩臺高功放向外排風的總能力高達1000m3/h，而空調(diào)基本不具備從室外進風的能力，在容積100m3左右的空間范圍內(nèi)，空氣迅速地被大量抽出，室內(nèi)與室外相比很快形成負壓。此時室內(nèi)空氣溫度雖然滿足要求、高功放散熱風扇也在高速運轉(zhuǎn)，但實際進入高功放的氣流量會少于指標要求，達不到良好散熱的效果。

二是由于室內(nèi)為負壓，室外空氣會從門縫、走線槽等處進入機房，這部分空氣沒有經(jīng)過過濾，混合含有大量懸浮顆粒物的污染空氣和潮氣，進入高功放后，在風阻較大區(qū)域、或高壓電極等處沉積起來，縮短高壓電極間的爬電距離，非常容易引起高壓打火。

這兩個問題極大地損害了高功放的壽命，嚴重影響系統(tǒng)的安全運行，并帶來巨大的經(jīng)濟損失。維護過程中發(fā)現(xiàn)，在此種散熱方式下，高功放運行3個月左右，內(nèi)部就會積累很多灰塵，日志中經(jīng)常會出現(xiàn)High Voltage Arc（高壓打火）告警信息，需要定期經(jīng)常對高功放和速調(diào)管進行清理維護，工作量非常大。

3.2熱氣直排室外+進氣孔+塵降+小功率空調(diào)方式

機房布局圖2則是對3.1節(jié)散熱方式的改進。將機房隔離出來一部分作為塵降室，并在塵降室外墻上開一個面積不小于1m2的室外進氣孔，用于室內(nèi)自然吸氣的通道。過濾網(wǎng)能夠濾掉一部分灰塵，空氣在塵降室經(jīng)過進一步的塵降，通過室內(nèi)進氣孔，和機房內(nèi)冷空氣混合后，進入高功放。

圖2　直排室外+進氣孔+塵降+小功率空調(diào)

由于在夏天時要對進入室內(nèi)的大量高溫空氣冷卻，空調(diào)會滿負荷工作，散熱系統(tǒng)的全年總能耗會有所增加。雖然此種方式一定程度上改善了室內(nèi)負壓的情況，空氣清潔度也有所提升，但是仍然存在不足：

（1）雖然有所改善，但由于室外及室內(nèi)進氣孔和濾網(wǎng)存在風阻，室內(nèi)仍是負壓，3.1節(jié)中的問題仍然存在。

（2）由于條件限制，塵降室容積不可能太大，抑塵效果大打折扣。

（3）夏天潮濕空氣會直接進入機房，來不及干燥便會進入高功放。高功放速調(diào)管的溫度雖然在50℃以上，理論上不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，但是由于散熱風道的風阻很大，水汽和灰塵仍然比較容易被吸附下來，并由于污染空氣中的各種油質(zhì)廢氣成分，最終形成比干燥灰塵更難處理的油泥，形成高壓打火通道。

在北方沙塵較大的地區(qū)，高功放此種散熱方式下，一般運行6個月左右時間，內(nèi)部就會布滿灰塵和油泥，需要及時清潔，盡管清潔頻次下降，維護保養(yǎng)工作量仍然很大。

3.3熱氣直排室外+進氣孔+塵降+送風+小功率空調(diào)方式

為了提升高功放的進氣量和空氣清潔度，對3.2節(jié)散熱方式進一步改進，改進后的散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如機房布局圖3所示。

圖3　直排室外+進氣孔+塵降+送風+空調(diào)

在高功放的室內(nèi)進氣口加裝一臺帶有濾網(wǎng)的風機，由于增加了一道過濾網(wǎng)，加強了塵降室的作用，進入高功放的灰塵量大大減小。風機的基本作用是補償濾網(wǎng)帶來的風阻，如果選擇增壓風機，還能進一步提高進入高功放的氣流量。

此種方式中增加了風機的能耗，一般情況功率為200瓦，不過空調(diào)只用于其他小熱耗設備的散熱，所以散熱系統(tǒng)的總能耗和3.2節(jié)方式相當。

由于進入高功放的灰塵量大大降低，即使空氣潮濕，油泥形成的所需時間也較長，加之氣流量有所增加，高功放的運行環(huán)境有很大的改善，一般一年維護保養(yǎng)一次即可。

此種方式仍不夠理想，還存在以下問題未能徹底解決：

（1）夏天時進入高功放的空氣溫度高、濕度大，出風溫度有時會達到70℃以上，速調(diào)管的溫度較之更高。

（2）冬天時冷空氣進入高功放與絕緣陶瓷及橡膠件直接接觸，有可能會造成老化甚至損壞。

（3）無法徹底消除油泥。高功放的工作溫度指標是-10℃至+50℃范圍內(nèi)［2］，在（1），（2）兩種情況下，高功放的實際進氣溫度靠近邊界，存在影響速調(diào)管壽命的隱患。

（4）筆者維護的20多臺Gen IV 3千瓦C波段速調(diào)管高功放采用該種模式運行，每周要對三層濾網(wǎng)進行清洗或更換，盡管工作負荷降低，但仍較為繁瑣。

（5）即使采取多層過濾措施，速調(diào)管仍然累積濕塵，造成高壓放電、工作不穩(wěn)定、速調(diào)管損壞，需要精心拆卸，進行維護清潔。

3.4室內(nèi)循環(huán)+大功率空調(diào)方式

一部分衛(wèi)星地面站為了徹底解決灰塵、油泥問題，提高散熱效果，采用了如圖4所示散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。高功放的熱氣排在機房內(nèi)，由大功率空調(diào)冷卻到20℃左右，空氣在室內(nèi)循環(huán)使用。

圖4　室內(nèi)循環(huán)+大功率空調(diào)

此種方式的優(yōu)點明顯，通過大功率空調(diào)制冷，隔絕室內(nèi)外空氣，為高功放創(chuàng)造了一個優(yōu)異的運行環(huán)境，徹底解決了上述幾種方式存在的問題，維護工作量大幅減小。缺點是機房空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗巨大、成本高、不經(jīng)濟環(huán)保。

4　熱管技術在高功放散熱中的應用

4.1熱管技術簡介［3］

熱管是20世紀60年代美國工程師發(fā)明的一種傳熱元件，主要由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成負壓充入適量工作液體后密封。當熱管的一端受熱時液體蒸發(fā)汽化，流向另一端釋放熱量后凝結(jié)成液體，靠毛細作用回流。熱管充分利用了熱傳導原理和相變介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，導熱能力超過任何已知金屬。

4.2熱管式換熱器

熱管式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖5所示［4］。蒸發(fā)器放置在高溫環(huán)境下，冷凝器放置在低溫環(huán)境下，通過金屬管道連接，組成一臺熱管式換熱器，以極高的效率將室內(nèi)熱能傳導到室外并釋放掉，達到散熱的效果。為了提升散熱能力，可以把蒸發(fā)器和冷凝器做成蛇形結(jié)構(gòu)，增大熱交換面。通過設計蒸發(fā)器和冷凝器的外形結(jié)構(gòu)以及并聯(lián)使用，熱管式換熱器的顯冷量很容易達到千瓦級別。

圖5　熱管式換熱器

熱管裝置應用于高功放散熱的室內(nèi)至室外熱傳導時，只要蒸發(fā)器所處位置的設備散熱出風溫度高于冷凝器所在的室外環(huán)境溫度，熱管式換熱器就能夠能起散熱的作用，溫差越大，散熱效率就越高。由于其散熱原理是利用熱管優(yōu)異的傳導效果，實際的產(chǎn)品中只加裝風機，而不使用空調(diào)壓縮機，所以能耗大大降低。對于諸如高功放這樣的高熱耗局部熱源的散熱尤其具有很高的性價比優(yōu)勢。

4.3室內(nèi)循環(huán)+熱管式換熱器+小功率空調(diào)方式

此種散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。高功放產(chǎn)生的大量高溫氣體通過排氣管送入熱管式換熱器，熱能得到迅速交換，在室內(nèi)風機的輔助下，冷卻后的空氣直接排放在室內(nèi)，機房內(nèi)的空氣實現(xiàn)了內(nèi)部循環(huán)，隔絕了室內(nèi)外空氣流，熱能最終在室外風機的輔助下排向室外。通常情況下，熱管裝置室內(nèi)機的出風溫度大約比室外溫度高10℃左右［5］，北方地區(qū)，熱管裝置室內(nèi)機夏天的出風溫度會達到45℃左右，此時再利用空調(diào)將其冷卻到25℃左右即可。此種方式的優(yōu)點：

圖6　室內(nèi)循環(huán)+熱管式換熱器+小功率空調(diào)

（1）實現(xiàn)高功放散熱空氣內(nèi)循環(huán)，射頻室內(nèi)沒有負壓。

（2）室內(nèi)所有設備、設施不再受污染空氣和濕塵影響，工作穩(wěn)定，老化、故障率大大降低，壽命更長。

（3）散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中無濾網(wǎng)構(gòu)成的風阻，加上換熱風扇與功放冷卻風扇構(gòu)成推拉式運行，風速加快，功放速調(diào)管冷卻效果顯著。

（4）功放中斷維護減少，速調(diào)管不需頻密拆卸清潔維護。以往速調(diào)管受濕氣影響，塵土粘結(jié)厚實，極難清除；干燥的循環(huán)空氣，只有極少灰塵，吹吹就能去除（運行4個月后，速調(diào)管干爽、潔凈）。

（5）和3.4節(jié)散熱方式相比，空調(diào)所需額定功率減小，并且不需要全年開啟，2臺風機的額定功率小于500瓦，散熱系統(tǒng)的總能耗大大減少。

4.4散熱系統(tǒng)能耗推算和比較

由于3.1節(jié)至3.3節(jié)的散熱方式不能為高功放創(chuàng)造一個優(yōu)異的工作環(huán)境，在此不對其能耗進行進一步討論。本節(jié)只對室內(nèi)循環(huán)+大功率空調(diào)和室內(nèi)循環(huán)+熱管式換熱器+小功率空調(diào)兩種方式中散熱系統(tǒng)的一年總能耗進行推算和比較。

假設機房位于北京地區(qū)，1個標準大氣壓，濕度小于30％，空氣的密度可取值1.29（kg/m3），比熱容可取值1030［J/（kg?℃）］。

4.4.1室內(nèi)循環(huán)+大功率空調(diào)散熱方式

機房內(nèi)空氣循環(huán)的過程為：冷空氣進入高功放被加熱，熱氣排到室內(nèi)，再由空調(diào)將其冷卻重新進入高功放。可以認為此過程在一個密閉的環(huán)境中進行的，不受室外環(huán)境溫度的影響。假設達到穩(wěn)定狀態(tài)后，高功放的進氣溫度為25℃，排氣溫度為60℃，兩臺高功放的排風能力為1，000（m3/h）。

兩臺高功放每秒排出總空氣質(zhì)量：

由60℃冷卻至25℃，需要的制冷功率：

假設空調(diào)的能效比為3.5，則其輸入功率：

散熱系統(tǒng)一年的總能耗：

4.4.2室內(nèi)循環(huán)+熱管式換熱器+小功率空調(diào)散熱方式

在室內(nèi)機風機的輔助作用下，高功放的排氣能力會有所增加，設定增加量為30％，則總排氣流量為1300（m3/h）。假設達到穩(wěn)定狀態(tài)后，高功放的進氣溫度為25℃，出氣溫度為60℃。熱管式換熱器兩個風扇的輸入功率為500W。

兩臺高功放每秒排出空氣總質(zhì)量：

（1）11月至次年3月

室外平均溫度低于15℃［6］，室內(nèi)機（蒸發(fā)器）的出風溫度在25℃左右，此時空調(diào)處于關閉狀態(tài)。散熱系統(tǒng)的總能耗為熱管式換熱器風扇的能耗：

（2）4月、5月、9月、10月

室外平均溫度為20℃～25℃［6］，室內(nèi)機（蒸發(fā)器）的出風溫度30℃～35℃左右，此時空調(diào)處于制冷狀態(tài)。熱管式換熱器的能耗：

由35℃冷卻至25℃，需要的制冷功率：

假設空調(diào)的能效比為3.5，則其輸入功率：

空調(diào)的能耗：散熱系統(tǒng)的總能耗

（3）6月、7月、8月

室外平均溫度為30℃～35℃［6］，室內(nèi)機（蒸發(fā)器）的出風溫度40℃～45℃左右，此時空調(diào)處于制冷狀態(tài)。

熱管式換熱器的能耗：

由45℃冷卻至25℃，需要的制冷功率：

假設空調(diào)的能效比為3.5，則其輸入功率：

空調(diào)的能耗：

散熱系統(tǒng)的總能耗：

（4）散熱系統(tǒng)一年的總能耗：

綜合4.4.1和4.4.2節(jié)的推算可知，采用熱管式交換器，每年可以節(jié)省能耗：節(jié)能比例為：

可以看出，室內(nèi)循環(huán)+熱管式換熱器+小功率空調(diào)散熱方式不僅能夠為高功放運行創(chuàng)造優(yōu)異的環(huán)境，而且在節(jié)能降耗方面也具有巨大的優(yōu)勢。

4.5散熱系統(tǒng)成本分析假設散熱系統(tǒng)的使用周期為15年，以下對其成本進行分析。

4.5.1前期投入

根據(jù)4.4.1節(jié)中的分析，空調(diào)的額定功率至少為3708瓦，考慮到可靠性，室內(nèi)循環(huán)+大功率空調(diào)散熱系統(tǒng)需配備2臺6匹工業(yè)級空調(diào)。室內(nèi)循環(huán)+熱管式換熱器+小功率空調(diào)散熱系統(tǒng)可以配備1臺6匹工業(yè)用空調(diào)和2臺顯冷量為6.5千瓦熱管式換熱器，每臺熱管式換熱器的價格大約3.5萬元。所以使用熱管式換熱器的散熱系統(tǒng)前期投入會多4萬元左右。

4.5.2年耗電成本

假定工業(yè)用電的價格為0.7（元/kW?h），根據(jù)4.4節(jié)的推算，室內(nèi)循環(huán)+熱管式換熱器+小功率空調(diào)散熱系統(tǒng)與室內(nèi)循環(huán)+大功率空調(diào)散熱系統(tǒng)相比，10年節(jié)省的年耗電成本為：

4.5.3安裝維護維修成本

熱管式換熱器和空調(diào)的安裝要求、方式類似，二者的安裝成本基本相同。大功率工業(yè)級空調(diào)的可靠性較高，根據(jù)經(jīng)驗假定平均每年的維護維修費用為2千元，15年總的維護維修成本為3萬元。熱管式換熱器只有風機是有源部件，整機可靠性非常高，可以假定平均每年的維護維修費用為200元，15年總的維護維修成本為3千元。綜合上述分析可以看到，使用熱管式換熱器的散熱系統(tǒng)在15年運行時間內(nèi)可以節(jié)約將近20萬元的成本。

與室內(nèi)循環(huán)+大功率空調(diào)散熱系統(tǒng)相比，熱管式散熱系統(tǒng)對高功放系統(tǒng)運行環(huán)境的改善是相同的，完全隔絕了室內(nèi)外空氣對流，對延長高功放壽命，降低故障率，顯著減輕維護保養(yǎng)工作量方面具有同等效力，可以保證高功放系統(tǒng)實現(xiàn)10～15年的預期壽命。

5　結(jié)束語

將熱管技術用于衛(wèi)星地面站高功放散熱，有效地解決了機房負壓、潮濕、空氣污染和灰塵量大等問題，為高功放安全穩(wěn)定的運行創(chuàng)造了優(yōu)異的環(huán)境，進而為整個衛(wèi)星測控、通信系統(tǒng)的安全運營奠定了基礎。與單純使用大功率空調(diào)相比，熱管技術具有節(jié)能降耗、運行環(huán)保的特點，大幅度節(jié)省了運營和維護成本。同時，熱管式換熱器安全可靠、外形可根據(jù)用戶要求定制、安裝維護維修方便。筆者所在衛(wèi)星地面站目前引入兩套熱管式換熱器用于高功放散熱，經(jīng)過半年的運行，取得了良好的效果，驗證了熱管技術在高功放散熱中的優(yōu)異特性，具有大量推廣的價值，可以應用在各種類似場合，對大量散熱提供高效率解決方案，保障機房潔凈運行環(huán)境，意義重大。

［1］Service Manual Gen IV 2003 Klystron High Power Amplifier

［2］Installation & Operation Manual Gen IV 2003 Klystron High Power Amplifier

［3］中國冶金行業(yè)網(wǎng)

［4］Green RF Room HPA and RF Module Heat Transfer

［5］德能恒心熱管式換熱器操作說明書

［6］天氣網(wǎng)www.tianqi.com

Application of Heat Pipe Technique in Satellite Earth Station Cooling

Ning Yeqiang，Luo Xuesong，Zhou Jun，Song Zhongbo，Wang Honglin
（China Satellite Communications Co. Ltd，Beijing，100094）

This article focuses on CPI GENIV3kW klystron amplifier cooling，introducing the solution of preventing bad air damaging CPI GENIV3kW klystron amplifier’s stability and life. CPI GENIII and the early klystron amplifier were less affected by air，since cold air only worked on cooling fins. However，when using GENIV3kW klystron，cold air blows over all the high voltage electrodes. The high-salt，high-humidity，dusty air severely impacts the stability and life of equipments，causing many difficulties to maintenance. Due to the limitation of equipment operation space and high power dissipation，traditional air-forced cooling and air-conditioner cooling could not be both energy efficient and safe. Heat pipe system’s EER （energy efficiency ratio） can go up to 15 and above，therefore，is extremely appropriate for those thermal environments whose local temperature is highly above outdoor temperature and cannot be open because of the dust outside.

High Power Amplifier； Cooling； Heat Pipe； energy efficiency and environmental protection

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.003

TN927+.21

B

1672-7274（2015）04-0010-06