短波大功率电子管发射机冷却系统原理与设计应用

田曙光

【摘 要】发射机的冷却方式主要是据其电子元器件、设备的发热密度（即单位面积耗散功率）数值来选择的；同时兼顾元器件的工作状态、设备空间布局或功耗大小，以及环境条件与运行经济性诸方面因素，以求既能满足设备散热设计要求，且整机电气性能指标合格、工作稳定可靠。本文首先简介短波发射机冷却系统基本工作原理和运行方式；而后着重对空气冷却和液体冷却进行细致分析；最后，结合TSW2500型发射机，对两种冷却方式在大功率电子管发射机上的应用进行系统阐述。

【关键词】冷却系统；冷却原理；空气冷却；液体冷却

0 引言

发射机是一个复杂庞大的电子系统，内部集成了各种规格、型号的电子元器件，其功率密度要求在正常工作时，须具备良好的通风、散热途径。随着现代发射技术的发展和功率器件制造技术的不断进步，发射机的组装密度、功率密度不断提高也已成为当前发展的重要标志。

1 发射机冷却系统工作基本原理

冷却系统的基本任务就是发挥出适合本发射设备需求的冷却效果，以便满足发射设备高可靠性的要求。为了保证发射机的运行可靠性，冷却系统一直是作为整个工作使用过程中的重要一环。在进行发射机冷却系统设计时，应结合发射机本身的实际情况，从以下几个方面加以考虑：

1）冷却系统具有良好的冷却功能。保证发射机内需要进行热控设计的电子元器件能够在规定的环境（尤其是高温环境）中正常的工作。

2）冷却系统具备高可靠性。在规定的使用期限内，冷却系统的可靠性指标应大于等于主系统分配给冷却系统的可靠性指标要求。冷却系统中的元器件的可靠性指标应该符合冷却系统可靠性指标的分配要求。

3）冷却系统具有宽泛的环境适应性。冷却系统的冷却能力在设计中必须有一定的裕量，以适应工程上的变化和长期使用后由于积灰、污垢引起的流体阻力的增加而造成的散热能力的下降等情况。

4）冷却系统具有方便的维修性，其操作、维护简便。

5）冷却系统应有良好的安全设计。加强电气安全设计，同时转动部件以及采用的冷却介质等对操作人员应无危害，此外，冷却介质须与其接触的元器件表面相容。

6）设计的冷却系统要有优良的性价比。其成本核算应包括初次的投资成本、日常运行以及长期维护费用等。

2 空气冷却

采用空气来冷却发射机设备发热器件，是一种比较直接的冷却形式，其冷却系统构成简单，设备成本低，维护比较方便。空气冷却又分为自然风冷与强迫风冷两种方式，其中，以自然风冷最为简单。强迫风冷又可划分为开放式风冷和闭式空调风循环冷却。

2.1 自然风冷

自然风冷也称为低压风冷却。下文结合大功率发射机具体阐述。

2.2 强迫风冷

2.2.1 强迫风冷设计原理

发射机设备强迫空气冷却系统设计的主要依据是在额定的耗散功率下，力求使用最小的驱动功率，达到元器件温度低于允许的安全工作温度，以确保电子器件的使用寿命。

2.2.2 强迫风冷设计基本原则

1）确定冷却空气进气温度及压力，确定每一元器件的允许温度。

2）强迫通风的气流方向应与自然对流方向取得一致。不发热或发热量小的元器件排列在气流的上游（即进口端），发热大或耐温高的元件排列在气流出口端。

3）强迫风冷时，进风口、出风口应尽量远离，防止气流短路。当器件在较高的进风温度下工作时，一定要将进风温度为20℃所得出的计算加以修正，并推算到相应进风温度时的实际情况。

4）通风管道应尽量短，缩短管道长度可以降低风道的阻力损失，避免采用急剧弯曲。

5）在选择、安置风机时，应充分考虑到振动、噪音以及滤尘等问题。

6）尽量使管道密封，所有搭接台阶都应顺着气流流动方向。进风口结构应使其气流的阻力最小，且要起到滤尘作用。

2.3 空气冷却在短波大功率电子管发射机上的实际应用

TSW2500型大功率电子管发射机的RF机箱、控制机箱和TSM部分，是通过低压风冷却的。根据当地温度环境可选择新鲜风、混合风或循环风系统。机房实际中采用的是循环风系统。

机房内的暖风经精密空调净化和冷却后，经过通风柜顶部循环风百叶窗被低压风机抽入，再次经粗粒灰尘过滤网和细粒灰尘过滤网由风筒送入RF机箱和TSM部分。RF机箱内的空气温度变高后，通过机箱顶部的开口排出机箱外。在风筒上装有外扩散开口，用于给TSM放大器提供风冷，把冷风吹向TSM机箱的后部。一方面，冷风在TSM机箱内对功率模块冷却吹风后温度升高排出机箱外，另一方面，冷风也对TSM变压器进行冷却。机房内的热空气再通过精密空调送达通风柜顶部循环风百叶窗流入通风柜。

低压风机由发射机控制部分的配电箱供电，风百叶窗或混合风门由低压分配柜A200供电。风过滤网通过风差压开关来监测，如果过滤网严重阻塞，导致风压过低，风差压开关动作，发出一个故障信号给发射机控制系统，表示到发射机的冷却风量不足。射频机箱内进风口处安装有风量检测开关K131，如果低压风冷系统发生故障，K131断开，送出一个故障信号送到发射机控制系统，使发射机退到黑灯丝“AUX”状态，故障信息显示“低压风丢失”。

表1 低压风系统技术规格

发射机的实际应用中，通常将强迫风冷称为高压风冷。发射机高末级电子管、驱动级电子管和阴极阻尼电阻所产生的热量都是通过强迫风冷（高压风冷）来散热的。

高压风机安装在射频机箱3#门后的底层机箱间隔内，通过一根硬风管以及一些软风管来输送高压风，把高压风吹向驱动级管座和阻尼电阻等器件，射频末级电子管座则直接与软风管相连。

表2 高压风系统技术规格

高压风机电源由发射机配电箱中配电板上的三相400 VAC主电源供给。高压风机通过接触器KM53来开启，KM53受发射机控制系统的控制。用一个过流释放和热保护继电器FR53用来保护风机，防止它过载；当过载时，热保护继电器FR53会产生一个过载信号送到发射机的控制系统，使发射机切换到“AUX”状态。在射频末级电子管TH576的管座旁安装了一个风量检测开关K132，例如，当风机出现故障时，K132断开，送出“高压风丢失”故障信号到发射机控制系统，使发射机切换到“AUX”状态。

3 液体冷却

按照电子器件与液体的接触情况，发射机液体冷却大体上分为两类：直接液体冷却、间接液体冷却。

3.1 直接液体冷却

1）电子器件直接浸入液体中的冷却

由于电子器件被直接浸入液体中，当受热上升的液体运动中直接与机壳冷表面接触后，液体变冷，体积收缩，密度增大而下降，从而形成自然对流，把热量散发出去。

2）直接强迫液体冷却

冷却液用低压泵送出去后，在电子器件的表面高速度流过而得到充分的换热，受热后的液体再通过换热器将热量散发出去，这一过程大大提高了电子器件冷却效率，它是一个密封循环系统。在大功率整流管和功率三、四极管的阳极冷却中应用较广。

3.2 液体冷却在短波大功率电子管发射机上的实际应用

大功率发射机实际应用中，其液体冷却介质的选择尤为重要，因为发射机及冷凝器所处的周围环境温度均在零度以上，所以，我们采用的冷却介质为水，即通常所说的水冷。在调试发射机水路时，要用到两种水质的水，清洗整机水路可用自来水，而冷却系统运行用水却必须是蒸馏水或去除离子的净化水。短波电子管发射机水冷系统采用直接强迫液体冷却方式冷却所有的大功率元器件，计有：整个末级、驱动级电子管、调谐线和真空电容。强迫液冷的水冷回路设计成一个封闭管路，其上安装有离子交换器，可确保管路中净化水的水质。管路中，含矿物质很低的水（即水导值很低的净化水）在流经电子管等元件的带电部位后，将其耗散的热量输送给风水热交换器（即冷凝器），进而散发到空气中。

TSW2500型发射机射频末级电子管采用的是特超蒸冷方式。工作中，电子管冷却水流高速流过蒸发锅，带走屏极刚刚产生的蒸汽泡，通过流经冷凝器进行冷却。理论上，该机型的设计出水温度可达到90℃，但在实际播音中一般在70℃左右，水温的实际值取决于发射机调幅度的大小。该机冷却系统具有非常高的热耗散比，从而确保了高末级大功率电子管TH576的运行使用安全。

此外，发射机采用间接液体冷却方式冷却所有的PSM功率模块，由水冷盘对模块两个IGBT、整流二极管、热保护开关组成的功率元器件部分进行冷却。

表3 水冷系统技术规格

4 结束语

近年来，短波大功率电子管发射机的载波功率已达几百千瓦以上，其中的电子管等真空器件均需采用强迫液冷，即水冷冷却。而高压电源中的变压器、电感器以及硅堆等，由于这些元器件均处在高电压下，兼顾到高压绝缘和散热这对矛盾，现在一般采用强制风冷冷却。低压电源及其它电子线路，就采用自然风冷。具体采用何种冷却方式，须根据设备的使用条件和功率密度来设计确定。

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[责任编辑：杨玉洁]