新一代天氣雷達系統(tǒng)熱設計與技術分析
摘要 根據(jù)新一代天氣雷達設備的工作環(huán)境和運行狀態(tài),闡述了雷達系統(tǒng)熱設計的工作原理和結構特征,主要對雷達系統(tǒng)發(fā)射機的熱通道和散熱系數(shù)進行科學評估,匯總2008~2010年河南省5部新一代天氣雷達的熱報警數(shù)據(jù),通過對運行環(huán)境中熱報警信息的統(tǒng)計和分析,認為機房布局、制冷設備、冷熱通道、數(shù)據(jù)監(jiān)控、制冷材料等項目需要改進和調(diào)整,提出將供電、制冷、監(jiān)控和管理組件整合成全面、一體化的解決方案,同時提出下一代熱設計與分析技術的重點和發(fā)展方向。
關鍵詞 電路與系統(tǒng);熱可控性;冷風道;對流換熱;可測性
根據(jù)中華人民共和圍國家軍用標準(GJB/Z 27-92)規(guī)定,熱設計的目的是控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度,使其在所處的工作環(huán)境條件下,不超過標準及規(guī)范所規(guī)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(chǎn)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(tǒng)的熱設計是指電子設備的耗熱元器件以及整機或系統(tǒng)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(wěn)定、可靠地工作。
1 雷達設備散熱結構
1.1 雷達運行環(huán)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(tǒng)工作穩(wěn)定和性能提升的障礙,設計人員,除了成功實現(xiàn)產(chǎn)品功能之外,還需考慮產(chǎn)品的穩(wěn)定性、工作壽命和環(huán)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,可以用式(1)表示
F=Ae-E/KT (1)
其中,F(xiàn)=故障率;A為常數(shù);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(jù)美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會ASHRAE TC9.9(American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,Inc)標準制定,保持在72F/22C,為保證氣象雷達系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行,對運行環(huán)境提出了較高的制冷要
求,必須建立精確的制冷管理系統(tǒng)。自1965年以來,氣象雷達布局結構和產(chǎn)品性能在過去的幾十年間發(fā)生了質的變革,但機房數(shù)據(jù)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(xiàn)在全國氣象部門正在使用的新一代天氣雷達現(xiàn)狀,就是2~3臺空調(diào),提供平均制冷功率不小于30 kW的制冷方案。本數(shù)據(jù)資料中的5個雷達站所用制冷功率均在28 kW以上,機房內(nèi)雷達設備主要消耗功率18.4 kW。
其中發(fā)射機速調(diào)管是系統(tǒng)的主要發(fā)熱體,速調(diào)管放大器的增益約為50 dB,經(jīng)電弧及反射保護器后,發(fā)射機的輸出功率不小于650 kW。全固態(tài)調(diào)制器是發(fā)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(diào)制器輸出的2 MW調(diào)制脈沖饋至高壓脈沖變壓器初級,經(jīng)脈沖變壓器升壓,在其次級產(chǎn)生60~65 kV負高壓脈沖,加在速調(diào)管陰極,提供速調(diào)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(jīng)速調(diào)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?yōu)榘l(fā)射機的輸出高頻能量,約2/3消耗在速調(diào)管收集極和管體,使其發(fā)熱,速調(diào)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。
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