摘要 根據(jù)新一代天氣雷達(dá)設(shè)備的工作環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)，闡述了雷達(dá)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的工作原理和結(jié)構(gòu)特征，主要對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的熱通道和散熱系數(shù)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，匯總2008～2010年河南省5部新一代天氣雷達(dá)的熱報(bào)警數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行環(huán)境中熱報(bào)警信息的統(tǒng)計(jì)和分析，認(rèn)為機(jī)房布局、制冷設(shè)備、冷熱通道、數(shù)據(jù)監(jiān)控、制冷材料等項(xiàng)目需要改進(jìn)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(shí)提出下一代熱設(shè)計(jì)與分析技術(shù)的重點(diǎn)和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 電路與系統(tǒng)；熱可控性；冷風(fēng)道；對(duì)流換熱；可測(cè)性

    根據(jù)中華人民共和圍國(guó)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(guò)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，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(jié)點(diǎn)溫度。
    新一代天氣雷達(dá)機(jī)房溫度根據(jù)美國(guó)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，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(lái)，氣象雷達(dá)布局結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品性能在過(guò)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(guó)氣象部門(mén)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?jī)?nèi)雷達(dá)設(shè)備主要消耗功率18．4 kW。

    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)。
    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(chǎng)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(chǎng)，磁場(chǎng)阻止電子發(fā)散，而將其聚成細(xì)束，磁場(chǎng)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(guò)溫信息。圖1為氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)原理框圖。

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(guò)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?jī)?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)
    q=h(tf-tw)      (2)
    其中，tw及tf分別為壁面溫度和流體溫度；用△t表示溫差，并取△t為正，則牛頓冷卻公式表示為
    q=h△t或Q=Ah△t     (3)
    其中，h為比例系數(shù)，單位W／m2K，代表單位溫差作用下通過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(jiǎn)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。

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，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。

2．2 需要解決的問(wèn)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)。

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(cè)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(cè)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(cè)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。
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(wèn)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(cè)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(shì)。通過(guò)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(guò)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(lái)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(yǔ)
    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(lái)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(guò)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(cè)性、可靠性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)，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。