盧 建，劉一鳴，譚公禮

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州 225001）

0 引言

發(fā)射機(jī)柜是雷達(dá)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(yīng)的電源模塊及電路等[1]；這些功率器件的可靠性直接關(guān)系到整體機(jī)柜的長壽命工況性能，而熱性能作為影響可靠性的關(guān)鍵因素必須重點(diǎn)關(guān)注[2]。現(xiàn)階段發(fā)射機(jī)柜結(jié)構(gòu)集成度較高，核心器件功率損耗層層積累，同時(shí)存在局部過熱的器件，導(dǎo)致機(jī)柜空間內(nèi)的熱流密度逐步增加；另外針對(duì)高溫、高濕和高鹽霧的使用環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)發(fā)射機(jī)柜的防腐提出了更高的要求，因此發(fā)射機(jī)柜整體的熱管理技術(shù)面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)[3]。

本文針對(duì)發(fā)射機(jī)柜中行波管局部過熱及機(jī)柜內(nèi)電子器件的防腐等突出矛盾，采用鑄鋁密閉機(jī)柜結(jié)合氣液換熱裝置的形式對(duì)發(fā)射機(jī)柜進(jìn)行熱管理優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了機(jī)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(dá)中原發(fā)射機(jī)柜為鈑金機(jī)柜，機(jī)柜內(nèi)部電子器件采用風(fēng)冷散熱方式，將環(huán)境中的冷風(fēng)通過機(jī)柜底部風(fēng)道抽入機(jī)柜中，對(duì)內(nèi)部的電子器件進(jìn)行散熱，經(jīng)換熱后的熱空氣在機(jī)柜頂部風(fēng)機(jī)的抽吸力下經(jīng)風(fēng)道排放到外部環(huán)境中；其中行波管處采用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，熱空氣通過機(jī)柜后門的出風(fēng)口直接排放至外部環(huán)境。

原發(fā)射機(jī)柜熱設(shè)計(jì)方案中，機(jī)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(jī)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(yīng)性無法保證。

2 熱管理優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案思路

針對(duì)高溫、高濕、高鹽霧的使用環(huán)境特點(diǎn)，某雷達(dá)發(fā)射機(jī)柜采用鑄鋁密閉機(jī)柜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由純風(fēng)冷散熱改為水冷散熱形式，需要配套相應(yīng)的水冷環(huán)控裝置。水冷環(huán)控裝置由水冷機(jī)柜、機(jī)柜背部加裝的氣液換熱裝置及相應(yīng)的管路構(gòu)成。水冷機(jī)柜實(shí)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(shí)統(tǒng)一控制各設(shè)備機(jī)柜的氣液換熱裝置工作，保證設(shè)備機(jī)柜內(nèi)的溫度及濕度[5-6]。某雷達(dá)機(jī)柜的水冷散熱方案如圖1所示。

圖1 某機(jī)柜水冷散熱方案

2.2 熱管理優(yōu)化方案

發(fā)射機(jī)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(jìn)行處理，因此氣液換熱器內(nèi)部換熱單元分為兩個(gè)獨(dú)立部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有兩個(gè)出風(fēng)口，可以為兩部分熱源單獨(dú)送風(fēng)。

行波管出口通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式調(diào)整，設(shè)置獨(dú)立的風(fēng)道與氣液換熱裝置的回風(fēng)口直接連接以保證冷卻風(fēng)量，利用頂部插箱原波導(dǎo)饋線穿越處的多余空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，行波管出口的離心風(fēng)機(jī)保持原風(fēng)機(jī)型號(hào)（風(fēng)量150 m3/h），并在氣液換熱裝置中通過匹配的專用風(fēng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)。行波管處的散熱風(fēng)道如圖2所示。

圖2 行波管散熱風(fēng)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(fēng)從出風(fēng)口1送至機(jī)柜內(nèi)行波管的吸風(fēng)口下方，行波管處的離心風(fēng)機(jī)將冷卻風(fēng)吸入行波管中進(jìn)行換熱，熱空氣通過獨(dú)立風(fēng)道送至回風(fēng)口1，被氣液換熱裝置中的循環(huán)風(fēng)機(jī)吸入內(nèi)部散熱器與冷卻液進(jìn)行熱交換，制出冷卻風(fēng)再送至機(jī)柜內(nèi)，完成行波管處散熱空氣的循環(huán)。

對(duì)機(jī)柜內(nèi)其他模塊的散熱（熱耗總計(jì)約為900 W），設(shè)置單獨(dú)的回風(fēng)口、出風(fēng)口。由于該部分熱源在發(fā)射機(jī)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(jī)柜底部，而氣液換熱裝置底部出風(fēng)口位置相對(duì)較高，為使冷卻風(fēng)流場順暢，出風(fēng)口處需做旁路風(fēng)道將冷卻風(fēng)引至機(jī)柜底部，保證機(jī)柜底部調(diào)整管單元及其他模塊的散熱風(fēng)量。機(jī)柜底部模塊散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)示意如圖4所示。

圖4 機(jī)柜底部模塊散熱風(fēng)道示意

圖5 氣液換熱裝置風(fēng)道設(shè)計(jì)

2.3 氣液換熱裝置設(shè)計(jì)

氣液換熱裝置的基本風(fēng)道設(shè)計(jì)如圖5 所示。氣液換熱裝置內(nèi)部換熱單元分為兩個(gè)獨(dú)立部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)兩個(gè)出風(fēng)口，可以分別為行波管和其他模塊的熱源單獨(dú)送風(fēng)進(jìn)行散熱[7-8]。

氣液換熱裝置回風(fēng)口1 與機(jī)柜內(nèi)部行波管處的獨(dú)立風(fēng)道直接相連，選擇匹配風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，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(dú)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(fēng)口2出風(fēng)，通過旁路風(fēng)道送入機(jī)柜底部，為機(jī)柜底部的油箱及調(diào)整管單元提供冷卻風(fēng)。機(jī)柜內(nèi)部的其余模塊換熱后的熱空氣由循環(huán)風(fēng)機(jī)經(jīng)回風(fēng)口2 抽入換熱器，經(jīng)內(nèi)部散熱器2 冷卻后，由出風(fēng)口1 送至機(jī)柜內(nèi)。散熱器2 為獨(dú)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(jī)柜仿真模型如圖6 所示，針對(duì)某發(fā)射機(jī)柜的熱管理優(yōu)化方案進(jìn)行了仿真分析，設(shè)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(fēng)量為435 m3/h，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 某發(fā)射機(jī)柜仿真模型

圖7 機(jī)柜內(nèi)部流場分析（去機(jī)柜）

從發(fā)射機(jī)柜內(nèi)部的流場仿真分析結(jié)果可知，機(jī)柜內(nèi)部流場比較順暢，流經(jīng)行波管處的風(fēng)量為153 m3/h，能夠滿足行波管散熱的風(fēng)量指標(biāo)要求。

4 熱測試驗(yàn)證

為驗(yàn)證發(fā)射機(jī)柜熱管理優(yōu)化的效果，開展相關(guān)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(jī)柜背部，風(fēng)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(jī)柜內(nèi)部均勻布置幾組加熱器以模擬其他電子設(shè)備散熱，加熱功率900 W。具體測試步驟如下。

（1）將風(fēng)罩、離心風(fēng)機(jī)及風(fēng)道通過機(jī)柜內(nèi)部設(shè)計(jì)的彎角件固定好（局部可用鐵絲進(jìn)行輔助固定），風(fēng)罩底部擋風(fēng)板及氣液換熱器先不安裝。

（2）給離心風(fēng)機(jī)通電運(yùn)行，用手持風(fēng)速儀測量風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)速，選9個(gè)測點(diǎn)測量風(fēng)速，取平均值作為出風(fēng)口風(fēng)速值；再用卷尺測量風(fēng)道出風(fēng)口面積，計(jì)算風(fēng)道出口處風(fēng)量值，并記錄測試數(shù)據(jù)。

（3）將風(fēng)罩底部的擋風(fēng)板（含1.6 kW 的模擬熱源）安裝好，給離心風(fēng)機(jī)通電運(yùn)行，用手持風(fēng)速儀測量風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速，選9 個(gè)測點(diǎn)測量風(fēng)速，取平均值作為出風(fēng)口風(fēng)速值，結(jié)合測出的風(fēng)道出風(fēng)口面積，計(jì)算風(fēng)道出口處風(fēng)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(fēng)機(jī)供電。

經(jīng)風(fēng)量測試、行波管熱負(fù)載測試、氣液換熱裝置常溫?fù)Q熱性能測試及高溫?fù)Q熱性能測試等試驗(yàn)，鑄鋁密閉機(jī)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(jī)柜的行波管散熱及機(jī)柜密閉性的要求。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)高溫、高濕及高鹽霧環(huán)境下某發(fā)射機(jī)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(jī)柜結(jié)合氣液換熱裝置的形式對(duì)發(fā)射機(jī)柜進(jìn)行熱管理優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：鑄鋁密閉機(jī)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(jī)柜的行波管散熱及機(jī)柜密閉性的要求。