陳德生，魏延濤，常 越，崔炳儉

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

根據(jù)中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB/Z 27－92)規(guī)定，熱設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度，最高允許溫度的計(jì)算應(yīng)以元器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，并與產(chǎn)品的可靠性要求及分配給每個(gè)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(yùn)行失敗或故障。新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)是指電子設(shè)備的耗熱元器件以及整機(jī)或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便對(duì)它們的溫升進(jìn)行控制，從而保證雷達(dá)設(shè)備或者整個(gè)機(jī)房穩(wěn)定、可靠地工作。

1 雷達(dá)設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)

1.1 雷達(dá)運(yùn)行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

隨著芯片集成度和功率密度的日益提高，設(shè)備的溫度成為系統(tǒng)工作穩(wěn)定和性能提升的障礙，設(shè)計(jì)人員，除了成功實(shí)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(yīng)能力等，而這些都與溫度有著直接或間接的關(guān)系。

溫度和故障率的關(guān)系成正比［1］，可以用式(1)表示

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(jié)點(diǎn)溫度。

新一代天氣雷達(dá)機(jī)房溫度根據(jù)美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)ASHRAE TC9.9(American Society of Heating，Refrigerating and Air－ Conditioning Engineers，Inc)標(biāo)準(zhǔn)制定［2］，保持在72F/22C，為保證氣象雷達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，對(duì)運(yùn)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(dá)布局結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品性能在過去的幾十年間發(fā)生了質(zhì)的變革，但機(jī)房數(shù)據(jù)中心的冷卻設(shè)計(jì)卻變化不大，基本采用強(qiáng)迫風(fēng)冷和房間級(jí)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(dá)現(xiàn)狀，就是2～3臺(tái)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(gè)雷達(dá)站所用制冷功率均在28 kW以上，機(jī)房內(nèi)雷達(dá)設(shè)備主要消耗功率18.4 kW。

表1 新一代天氣雷達(dá)各分機(jī)單元功率表

其中發(fā)射機(jī)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(hù)器后，發(fā)射機(jī)的輸出功率不小于650 kW。全固態(tài)調(diào)制器是發(fā)射機(jī)的重要組成部分，它將交流電能轉(zhuǎn)變成直流電能，轉(zhuǎn)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(jí)，經(jīng)脈沖變壓器升壓，在其次級(jí)產(chǎn)生60～65 kV負(fù)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(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射機(jī)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(fēng)機(jī)用于耗散這部分熱量，主要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱結(jié)構(gòu)［3－4］。

速調(diào)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(chǎn)生沿速調(diào)管軸線的直流磁場，磁場阻止電子發(fā)散，而將其聚成細(xì)束，磁場電源輸出的能量，全部消耗在線圈上，使其發(fā)熱。發(fā)射機(jī)機(jī)柜溫度報(bào)警閾值設(shè)置為60～80℃之間，當(dāng)超出設(shè)定的閾值時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)報(bào)設(shè)備方艙過溫信息。圖1為氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)原理框圖［1］。

圖1 氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)框圖

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)熱分析

房間級(jí)制冷是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心冷卻的傳統(tǒng)方法，在這種方式中，通過一臺(tái)或多臺(tái)并行工作的空調(diào)系統(tǒng)將冷空氣輸送到數(shù)據(jù)中心，空調(diào)系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)設(shè)備的作用就是高效率地收集這些復(fù)雜的熱氣流并將其所攜帶的熱量排出機(jī)房，這種方式的工作原理是空調(diào)機(jī)不僅提供原始制冷量，還要充當(dāng)一個(gè)大型混合器，在機(jī)房內(nèi)不斷攪拌和混合空氣，使之達(dá)到均勻的平均溫度，防止熱點(diǎn)出現(xiàn)，新一代天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)部分采用的是強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱結(jié)構(gòu)。

根據(jù)牛頓冷卻公式，流體被冷卻時(shí)

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(shù)，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(jié)構(gòu)、工作電壓、風(fēng)流量、噪聲、材料、對(duì)流結(jié)構(gòu)、傳導(dǎo)系數(shù)等因素有關(guān);q為熱流密度，單位W/m2;t為溫差，單位K。

強(qiáng)迫空氣冷卻是最常用的冷卻方式之一，其換熱系數(shù)一般在10～30 W/m2℃范圍內(nèi)，它主要應(yīng)用在熱流密度不超過0.31 W/cm2的設(shè)備中，在熱設(shè)計(jì)中，根據(jù)熱功耗、環(huán)境溫度、元器件工作溫度等因素來設(shè)計(jì)風(fēng)道和風(fēng)量，依據(jù)工作電壓、氣流量、風(fēng)壓損失、噪音等情況來選擇風(fēng)機(jī)和安裝方式，并合理安排發(fā)熱元器件位置，這種冷卻方式具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備量少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有的新一代天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)柜制冷方式采用一個(gè)離心風(fēng)機(jī)和3個(gè)軸流風(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫散熱方式［6］。

2 新一代天氣雷達(dá)熱報(bào)警數(shù)據(jù)分析

2.1 溫度報(bào)警分析

作為新一代天氣雷達(dá)可靠性熱設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，機(jī)房溫度和設(shè)備方艙超溫報(bào)警是影響熱可靠性的重要參考數(shù)據(jù)，匯總分析 2008～2010年河南省 5部CINRAD SB雷達(dá)的報(bào)警信息，由圖表看出，溫度報(bào)警在影響系統(tǒng)的所有報(bào)警中，占36.5%，是影響雷達(dá)設(shè)備可靠性的主要因素［7］，冷卻系統(tǒng)不穩(wěn)定、散熱結(jié)構(gòu)不合理、誤操作和人為原因是造成報(bào)警多的主要原因。

表2 00雷達(dá)設(shè)備設(shè)備方艙過溫報(bào)警頻次

2.2 需要解決的問題和難點(diǎn)

分析新一代天氣雷達(dá)運(yùn)行環(huán)境的報(bào)警數(shù)據(jù)，從空調(diào)機(jī)功率、制冷量分配、空調(diào)布局、風(fēng)機(jī)參數(shù)、噪音、設(shè)備冗余等，存在著可能性難題，為提高整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)現(xiàn)有機(jī)房環(huán)境中的制冷結(jié)構(gòu)和散熱方式需要進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

表3 雷達(dá)設(shè)計(jì)可能性難題及分析

3 冷卻系統(tǒng)的調(diào)整和優(yōu)化

3.1 動(dòng)力環(huán)境中各類信息的采集和監(jiān)控

雷達(dá)運(yùn)行環(huán)境級(jí)別主要包括:設(shè)施溫度與濕度測試;設(shè)備布置與氣流流型;設(shè)備制造商的熱負(fù)荷與風(fēng)量要求值等內(nèi)容，增加機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的視頻監(jiān)控與信息采集，監(jiān)測關(guān)鍵點(diǎn)的工作溫度，包括環(huán)境溫度和熱點(diǎn)溫度，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行［8］。

3.2 冷熱通道調(diào)整

對(duì)系統(tǒng)的冷熱通道進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用冷通道封閉管理，精確分配制冷量，按需動(dòng)態(tài)送風(fēng)的模式，控制氣流是制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。為解決這一問題，實(shí)現(xiàn)將空調(diào)系統(tǒng)與機(jī)柜排或單獨(dú)的機(jī)柜集成，確保向數(shù)據(jù)中心或發(fā)射機(jī)柜內(nèi)的所有發(fā)熱設(shè)備提供所需的輸入溫度和氣流，這樣可以使可預(yù)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(jī)房結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著精確制冷的發(fā)展，出現(xiàn)了新的行級(jí)或機(jī)柜級(jí)制冷的設(shè)計(jì)方式，熱設(shè)計(jì)正逐步形成從機(jī)房級(jí)制冷轉(zhuǎn)向行級(jí)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(diào)送風(fēng)，緊靠熱源的制冷方案可實(shí)現(xiàn)更高的能效目標(biāo)。在線纜架上、風(fēng)機(jī)入口處提供精確的制冷量分配，通過制冷容量與熱負(fù)載精確匹配，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和地點(diǎn)部署制冷設(shè)備，將冷空氣分配至各負(fù)載，防止冷熱空氣混合和消除熱點(diǎn)來降低制冷損耗，使熱設(shè)計(jì)最優(yōu)化，以提高可靠性。

4 結(jié)束語

根據(jù)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)架構(gòu)，分析3年來6部雷達(dá)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，找出報(bào)警成因和故障疑難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控，通過對(duì)制冷設(shè)備、冷熱風(fēng)道、機(jī)房架構(gòu)等設(shè)備和布局的優(yōu)化和調(diào)整，確保向數(shù)據(jù)中心或發(fā)射機(jī)柜內(nèi)的所有發(fā)熱設(shè)備提供所要求的輸入溫度和氣流，調(diào)整布局，降低熱點(diǎn)，提高熱設(shè)計(jì)單元的可測性、可靠性和穩(wěn)定性，延長新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)平均無故障工作時(shí)間(MTBF)［9］，提出了將供電、制冷、監(jiān)控和管理組件整合成全面、一體化的解決方案。模塊化、可擴(kuò)充、預(yù)工程化和標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案是下一代天氣雷達(dá)熱設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展方向。

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