石金彥

摘 要：某測控系統(tǒng)高功率功放設(shè)備裝載于長度為2m的方艙內(nèi)，通過空調(diào)送冷風(fēng)散熱。本文結(jié)合交付的工程設(shè)備出現(xiàn)的方艙內(nèi)環(huán)境溫度高的問題進(jìn)行相應(yīng)的總結(jié)和分析，并對散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真進(jìn)行分析。結(jié)果表明，高功放設(shè)備的工作環(huán)境明顯改善。

關(guān)鍵詞：電子方艙；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；熱設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN830.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-0056-03

Thermal Optimal Design of one Shelter for Power Amplifier

SHI Jinyan

（The 27th Research Institute of CETC，Zhengzhou Henan 450047）

Abstract： The high power amplifier equipment for one measurement and control system installed in a electronic shelter 2 meters long is cooled by air condition. The question of consigned engineer equipment was analyzed and the causations were concluded in this paper. Then， the measure of thermal optimal design was introduced and the emulational result indicate that the entironment temperature for high power amplifier in shelter is ameliorated obviously.

Keywords： electronic shelter；structure design；thermal design；optimal design

1 概述

功放設(shè)備功率大，發(fā)熱量比較大。在以往的工程設(shè)計(jì)中，功放設(shè)備多裝載于2m左右長度的電子方艙內(nèi)。電子方艙具有電磁屏蔽的功能，結(jié)構(gòu)為全封閉形式。為解決功放設(shè)備的散熱問題，通常采用大功率制冷空調(diào)，直接向艙內(nèi)送冷風(fēng)的方式進(jìn)行散熱。交付用戶的功放方艙內(nèi)部設(shè)備布局如圖1所示。

方艙內(nèi)并排設(shè)置3個機(jī)柜，其中，從左至右分別為功放機(jī)柜A、控制機(jī)柜和功放機(jī)柜B。空調(diào)回風(fēng)孔口設(shè)置在方艙的前端。高功放機(jī)柜共兩個，其中一個為冷備份。單個高功放機(jī)柜上安裝6個發(fā)射機(jī)，單臺發(fā)射機(jī)的發(fā)熱功率約2kW。發(fā)射方艙上安裝兩臺制冷量共計(jì)為14kW的空調(diào)。方艙頂端左右兩側(cè)設(shè)置制冷風(fēng)道。

高功放機(jī)柜上的發(fā)射設(shè)備，采用6個軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，單個軸流風(fēng)機(jī)的排量為45.9m3/H。

發(fā)射機(jī)的散熱形式如圖2所示。

高功放機(jī)柜中，從上到下依次分布6個發(fā)射機(jī)單元，

發(fā)射機(jī)的熱量通過軸流風(fēng)機(jī)排至高功放機(jī)柜的后面空間。單從整體制冷量和設(shè)備發(fā)熱量來看，空調(diào)制冷是可以滿足散熱要求的。

2 方艙熱負(fù)荷的理論計(jì)算

目前，有不少文獻(xiàn)[1，2]針對方艙散熱進(jìn)行了理論研究。

艙體熱負(fù)荷包括艙體傳熱量（內(nèi)外溫差）Q1、電子設(shè)備放熱量Q2、照明設(shè)備放熱量Q3、太陽輻射Q4等，因此，艙體熱負(fù)荷應(yīng)等于它們放熱量的總和。

2.1 艙體傳熱量計(jì)算

Q1=K×F×[Δ]t

式中：K=1.3kcal/m2·h·℃，為傳熱系數(shù)；F為艙體平均幾何散熱面積；[Δ]t為艙體內(nèi)外最大溫差。

2.2 電子設(shè)備放熱量計(jì)算

Q2=860×n1×n2×n3×n4×N

式中：N為設(shè)計(jì)總功率；n1為安裝系數(shù)；n2為負(fù)荷系數(shù)；n3為同時(shí)使用系數(shù)；n4為蓄熱系數(shù)。

2.3 照明設(shè)備放熱量計(jì)算

Q3=860×N×n

式中：N為燈具總功率；n為蓄熱系數(shù)。

2.4 太陽輻射放熱量計(jì)算

Q4=C0×ε×F×[（T1/100）4-（T2/100）4]

式中：C0為輻射系數(shù)；ε為艙體表面黑度；T1為艙體內(nèi)溫度；T2為環(huán)境溫度。

經(jīng)計(jì)算，艙體總的熱負(fù)荷Q=∑Qi=13.5kW。

功放方艙制冷空調(diào)的主要參數(shù)見表1。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，功放方艙總的熱負(fù)荷量為13.5kW，主選空調(diào)制冷量為14kW。從數(shù)據(jù)比對看，空調(diào)的功效接近臨界狀態(tài)。

3 方艙散熱的問題及原因

工程中，測控系統(tǒng)功放方艙按圖1所示方案已經(jīng)交付多套。交裝的設(shè)備在正常自然條件下，通過了環(huán)境測試和驗(yàn)收試驗(yàn)。然而，交付使用的過程，在夏季太陽直射的情況下，曾出現(xiàn)過某套方艙內(nèi)溫度稍高的現(xiàn)象。將方艙轉(zhuǎn)移至有陽光遮擋條件的環(huán)境時(shí)，方艙內(nèi)溫度恢復(fù)正常。

根據(jù)現(xiàn)場出現(xiàn)的情況，雖然采用大功率空調(diào)制冷，為方艙內(nèi)注入冷空氣，中和其熱能，是可以實(shí)現(xiàn)且滿足要求的。但從熱設(shè)計(jì)理論可知，設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，應(yīng)有合理、合適的風(fēng)道設(shè)計(jì)。

從方艙整體風(fēng)道設(shè)計(jì)的角度來看，是有優(yōu)化空間的。方艙的制冷空調(diào)設(shè)置在前端，而高功放機(jī)柜的熱量通過發(fā)射機(jī)軸流風(fēng)機(jī)排至柜體的后部，這種布局不利于風(fēng)道的設(shè)置。空調(diào)的冷風(fēng)可能沒有參與艙內(nèi)熱能的制冷就進(jìn)入了空調(diào)回風(fēng)口，形成了局部循環(huán)。

艙內(nèi)氣體流動矢量方向示意圖如圖3所示。

方艙內(nèi)底部風(fēng)向比較混亂，而方艙前端則會形成一個局部循環(huán)，使得空調(diào)的制冷散熱性能沒有達(dá)到最佳。

4 方艙散熱優(yōu)化及仿真

通過對功放方艙散熱出現(xiàn)的問題和原因分析，主要通過以下3方面優(yōu)化設(shè)計(jì)改善方艙散熱。①增加壁板隔熱層厚度。②優(yōu)化方艙設(shè)備布局：將空調(diào)回風(fēng)孔口轉(zhuǎn)移到高功放機(jī)柜后側(cè)的壁板，直接吸收發(fā)射機(jī)通過軸流風(fēng)機(jī)排出的熱能，從而避免出現(xiàn)局部循環(huán)，冷風(fēng)進(jìn)入空調(diào)回風(fēng)孔口。空調(diào)的風(fēng)道優(yōu)化為單端出口，流向高功放機(jī)柜前側(cè)。③增加隔離板，進(jìn)一步優(yōu)化散熱風(fēng)道。

在機(jī)柜的后部，增加一面壁板，在物理上將熱風(fēng)和冷風(fēng)隔離，空調(diào)的制冷空氣從發(fā)射機(jī)前端的進(jìn)風(fēng)孔口進(jìn)入，而熱風(fēng)被隔離在高功放機(jī)柜的后方空間內(nèi)，直接被空調(diào)回風(fēng)口吸收。

綜合以上3方面的優(yōu)化工作，方艙的設(shè)備布局如圖4所示。

根據(jù)功放方艙的布局變化，建立布局優(yōu)化前和優(yōu)化后的兩種分析模型，進(jìn)行熱仿真計(jì)算，以更清楚地考察方艙內(nèi)的溫度分布情況和氣流流動方向。

仿真采用的軟件為ANSYS軟件中的Icepak熱分析模塊。劉兵[3]、盧錫銘[4]等人對Icepak熱分析建模和工程中的仿真有詳細(xì)的研究和介紹。

優(yōu)化前的方艙熱分析模型如圖5所示。

功放方艙縱截面溫度場分布情況如圖6所示。在環(huán)境溫度為45℃時(shí)，發(fā)射方艙內(nèi)機(jī)柜前的環(huán)境溫度為29～36℃，與實(shí)際工程相吻合。

機(jī)柜后部的溫度最高達(dá)到了55.4℃，是艙內(nèi)的高溫區(qū)。

取方艙內(nèi)機(jī)柜前后各3個位置點(diǎn)，分別位于機(jī)柜的上、中、下部，進(jìn)行優(yōu)化前后的溫度數(shù)據(jù)比對，見表2。

5 結(jié)語

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，方艙內(nèi)機(jī)柜前端的環(huán)境溫度約20℃，空調(diào)為方艙內(nèi)設(shè)備提供了良好的環(huán)境。

由于發(fā)射機(jī)的熱能排到了機(jī)柜后部，但大部分熱能經(jīng)過空調(diào)回風(fēng)口，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮，得以中和。機(jī)柜后部的大部分溫度環(huán)境為34℃以下，最高溫度為43℃。

熱仿真分析和最終的改造結(jié)果證明，大部分環(huán)境溫度大致可降低10℃，功放設(shè)備的熱環(huán)境得到明顯改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴冬冬.電子方艙環(huán)境控制設(shè)計(jì)方法[J].移動電源與車輛，2012（2）：10-13.

[2]劉曉紅，楊金志，章玉太，等.某雷達(dá)方艙的熱環(huán)境仿真分析[J].電子機(jī)械工程，2012（4）：8-11.

[3]劉兵.Icepak軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2013（2）：1151-1153.

[4]盧錫銘，吳亮.電子設(shè)備熱仿真及優(yōu)化技術(shù)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013（4）：125-127.