某發(fā)射機柜熱管理優(yōu)化技術

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)整管單元和相應的電源模塊及電路等[1]；這些功率器件的可靠性直接關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鍵因素必須重點關注[2]。現(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)部電子器件采用風冷散熱方式，將環(huán)境中的冷風通過機柜底部風道抽入機柜中，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機的抽吸力下經(jīng)風道排放到外部環(huán)境中；其中行波管處采用離心風機進行散熱，熱空氣通過機柜后門的出風口直接排放至外部環(huán)境。

原發(fā)射機柜熱設計方案中，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)化設計，由純風冷散熱改為水冷散熱形式，需要配套相應的水冷環(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)一控制各設備機柜的氣液換熱裝置工作，保證設備機柜內(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計，設計有兩個出風口，可以為兩部分熱源單獨送風。

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

圖2 行波管散熱風道示意

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從出風口1送至機柜內(nèi)行波管的吸風口下方，行波管處的離心風機將冷卻風吸入行波管中進行換熱，熱空氣通過獨立風道送至回風口1，被氣液換熱裝置中的循環(huán)風機吸入內(nèi)部散熱器與冷卻液進行熱交換，制出冷卻風再送至機柜內(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），設置單獨的回風口、出風口。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口位置相對較高，為使冷卻風流場順暢，出風口處需做旁路風道將冷卻風引至機柜底部，保證機柜底部調(diào)整管單元及其他模塊的散熱風量。機柜底部模塊散熱風道設計示意如圖4所示。

圖4 機柜底部模塊散熱風道示意

圖5 氣液換熱裝置風道設計

2.3 氣液換熱裝置設計

氣液換熱裝置的基本風道設計如圖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計，設計兩個出風口，可以分別為行波管和其他模塊的熱源單獨送風進行散熱[7-8]。

氣液換熱裝置回風口1 與機柜內(nèi)部行波管處的獨立風道直接相連，選擇匹配風量的風機，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口2出風，通過旁路風道送入機柜底部，為機柜底部的油箱及調(diào)整管單元提供冷卻風。機柜內(nèi)部的其余模塊換熱后的熱空氣由循環(huán)風機經(jīng)回風口2 抽入換熱器，經(jīng)內(nèi)部散熱器2 冷卻后，由出風口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)行波管處的風量為153 m3/h，能夠滿足行波管散熱的風量指標要求。

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備散熱，加熱功率900 W。具體測試步驟如下。

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

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

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

圖8 熱測試方案

（4）測試結(jié)束后切斷離心風機供電。

經(jīng)風量測試、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。