一种功放方舱的热优化设计

石金彦

摘 要：某测控系统高功率功放设备装载于长度为2m的方舱内，通过空调送冷风散热。本文结合交付的工程设备出现的方舱内环境温度高的问题进行相应的总结和分析，并对散热优化设计及仿真进行分析。结果表明，高功放设备的工作环境明显改善。

关键词：电子方舱；结构设计；热设计；优化设计

中图分类号：TN830.5 文献标识码：A 文章编号：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

功放設备功率大，发热量比较大。在以往的工程设计中，功放设备多装载于2m左右长度的电子方舱内。电子方舱具有电磁屏蔽的功能，结构为全封闭形式。为解决功放设备的散热问题，通常采用大功率制冷空调，直接向舱内送冷风的方式进行散热。交付用户的功放方舱内部设备布局如图1所示。

方舱内并排设置3个机柜，其中，从左至右分别为功放机柜A、控制机柜和功放机柜B。空调回风孔口设置在方舱的前端。高功放机柜共两个，其中一个为冷备份。单个高功放机柜上安装6个发射机，单台发射机的发热功率约2kW。发射方舱上安装两台制冷量共计为14kW的空调。方舱顶端左右两侧设置制冷风道。

高功放机柜上的发射设备，采用6个轴流风机强迫风冷散热，单个轴流风机的排量为45.9m3/H。

发射机的散热形式如图2所示。

高功放机柜中，从上到下依次分布6个发射机单元，

发射机的热量通过轴流风机排至高功放机柜的后面空间。单从整体制冷量和设备发热量来看，空调制冷是可以满足散热要求的。

2 方舱热负荷的理论计算

目前，有不少文献[1，2]针对方舱散热进行了理论研究。

舱体热负荷包括舱体传热量（内外温差）Q1、电子设备放热量Q2、照明设备放热量Q3、太阳辐射Q4等，因此，舱体热负荷应等于它们放热量的总和。

2.1 舱体传热量计算

Q1=K×F×[Δ]t

式中：K=1.3kcal/m2·h·℃，为传热系数；F为舱体平均几何散热面积；[Δ]t为舱体内外最大温差。

2.2 电子设备放热量计算

Q2=860×n1×n2×n3×n4×N

式中：N为设计总功率；n1为安装系数；n2为负荷系数；n3为同时使用系数；n4为蓄热系数。

2.3 照明设备放热量计算

Q3=860×N×n

式中：N为灯具总功率；n为蓄热系数。

2.4 太阳辐射放热量计算

Q4=C0×ε×F×[（T1/100）4-（T2/100）4]

式中：C0为辐射系数；ε为舱体表面黑度；T1为舱体内温度；T2为环境温度。

经计算，舱体总的热负荷Q=∑Qi=13.5kW。

功放方舱制冷空调的主要参数见表1。

根据计算结果，功放方舱总的热负荷量为13.5kW，主选空调制冷量为14kW。从数据比对看，空调的功效接近临界状态。

3 方舱散热的问题及原因

工程中，测控系统功放方舱按图1所示方案已经交付多套。交装的设备在正常自然条件下，通过了环境测试和验收试验。然而，交付使用的过程，在夏季太阳直射的情况下，曾出现过某套方舱内温度稍高的现象。将方舱转移至有阳光遮挡条件的环境时，方舱内温度恢复正常。

根据现场出现的情况，虽然采用大功率空调制冷，为方舱内注入冷空气，中和其热能，是可以实现且满足要求的。但从热设计理论可知，设备强迫风冷散热，应有合理、合适的风道设计。

从方舱整体风道设计的角度来看，是有优化空间的。方舱的制冷空调设置在前端，而高功放机柜的热量通过发射机轴流风机排至柜体的后部，这种布局不利于风道的设置。空调的冷风可能没有参与舱内热能的制冷就进入了空调回风口，形成了局部循环。

舱内气体流动矢量方向示意图如图3所示。

方舱内底部风向比较混乱，而方舱前端则会形成一个局部循环，使得空调的制冷散热性能没有达到最佳。

4 方舱散热优化及仿真

通过对功放方舱散热出现的问题和原因分析，主要通过以下3方面优化设计改善方舱散热。①增加壁板隔热层厚度。②优化方舱设备布局：将空调回风孔口转移到高功放机柜后侧的壁板，直接吸收发射机通过轴流风机排出的热能，从而避免出現局部循环，冷风进入空调回风孔口。空调的风道优化为单端出口，流向高功放机柜前侧。③增加隔离板，进一步优化散热风道。

在机柜的后部，增加一面壁板，在物理上将热风和冷风隔离，空调的制冷空气从发射机前端的进风孔口进入，而热风被隔离在高功放机柜的后方空间内，直接被空调回风口吸收。

综合以上3方面的优化工作，方舱的设备布局如图4所示。

根据功放方舱的布局变化，建立布局优化前和优化后的两种分析模型，进行热仿真计算，以更清楚地考察方舱内的温度分布情况和气流流动方向。

仿真采用的软件为ANSYS软件中的Icepak热分析模块。刘兵[3]、卢锡铭[4]等人对Icepak热分析建模和工程中的仿真有详细的研究和介绍。

优化前的方舱热分析模型如图5所示。

功放方舱纵截面温度场分布情况如图6所示。在环境温度为45℃时，发射方舱内机柜前的环境温度为29～36℃，与实际工程相吻合。

机柜后部的温度最高达到了55.4℃，是舱内的高温区。

取方舱内机柜前后各3个位置点，分别位于机柜的上、中、下部，进行优化前后的温度数据比对，见表2。

5 结语

优化设计后，方舱内机柜前端的环境温度约20℃，空调为方舱内设备提供了良好的环境。

由于发射机的热能排到了机柜后部，但大部分热能经过空调回风口，经过压缩机压缩，得以中和。机柜后部的大部分温度环境为34℃以下，最高温度为43℃。

热仿真分析和最终的改造结果证明，大部分环境温度大致可降低10℃，功放设备的热环境得到明显改善。

参考文献：

[1]裴冬冬.电子方舱环境控制设计方法[J].移动电源与车辆，2012（2）：10-13.

[2]刘晓红，杨金志，章玉太，等.某雷达方舱的热环境仿真分析[J].电子机械工程，2012（4）：8-11.

[3]刘兵.Icepak软件在电子设备热设计中的应用[J].电脑知识与技术，2013（2）：1151-1153.

[4]卢锡铭，吴亮.电子设备热仿真及优化技术研究[J].工业控制计算机，2013（4）：125-127.