新一代天氣雷達系統(tǒng)熱設(shè)計與技術(shù)分析
摘要 根據(jù)新一代天氣雷達設(shè)備的工作環(huán)境和運行狀態(tài),闡述了雷達系統(tǒng)熱設(shè)計的工作原理和結(jié)構(gòu)特征,主要對雷達系統(tǒng)發(fā)射機的熱通道和散熱系數(shù)進行科學(xué)評估,匯總2008~2010年河南省5部新一代天氣雷達的熱報警數(shù)據(jù),通過對運行環(huán)境中熱報警信息的統(tǒng)計和分析,認(rèn)為機房布局、制冷設(shè)備、冷熱通道、數(shù)據(jù)監(jiān)控、制冷材料等項目需要改進和調(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,同時提出下一代熱設(shè)計與分析技術(shù)的重點和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 電路與系統(tǒng);熱可控性;冷風(fēng)道;對流換熱;可測性
根據(jù)中華人民共和圍國家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB/Z 27-92)規(guī)定,熱設(shè)計的目的是控制產(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,從而引起運行失敗或故障。新一代天氣雷達系統(tǒng)的熱設(shè)計是指電子設(shè)備的耗熱元器件以及整機或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計,以便對它們的溫升進行控制,從而保證雷達設(shè)備或者整個機房穩(wěn)定、可靠地工作。
1 雷達設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)
1.1 雷達運行環(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)計人員,除了成功實現(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)點溫度。
新一代天氣雷達機房溫度根據(jù)美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會ASHRAE TC9.9(American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,Inc)標(biāo)準(zhǔn)制定,保持在72F/22C,為保證氣象雷達系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行,對運行環(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,氣象雷達布局結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品性能在過去的幾十年間發(fā)生了質(zhì)的變革,但機房數(shù)據(jù)中心的冷卻設(shè)計卻變化不大,基本采用強迫風(fēng)冷和房間級制冷方式,現(xiàn)在全國氣象部門正在使用的新一代天氣雷達現(xiàn)狀,就是2~3臺空調(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個雷達站所用制冷功率均在28 kW以上,機房內(nèi)雷達設(shè)備主要消耗功率18.4 kW。
其中發(fā)射機速調(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)電弧及反射保護器后,發(fā)射機的輸出功率不小于650 kW。全固態(tài)調(diào)制器是發(fā)射機的重要組成部分,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,經(jīng)脈沖變壓器升壓,在其次級產(chǎn)生60~65 kV負高壓脈沖,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)機用于耗散這部分熱量,主要采用強迫風(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,磁場阻止電子發(fā)散,而將其聚成細束,磁場電源輸出的能量,全部消耗在線圈上,使其發(fā)熱。發(fā)射機機柜溫度報警閾值設(shè)置為60~80℃之間,當(dāng)超出設(shè)定的閾值時,雷達系統(tǒng)報設(shè)備方艙過溫信息。圖1為氣象雷達發(fā)射機原理框圖。
1.2 雷達系統(tǒng)熱分析
房間級制冷是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心冷卻的傳統(tǒng)方法,在這種方式中,通過一臺或多臺并行工作的空調(diào)系統(tǒng)將冷空氣輸送到數(shù)據(jù)中心,空調(diào)系統(tǒng)對雷達設(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房,這種方式的工作原理是空調(diào)機不僅提供原始制冷量,還要充當(dāng)一個大型混合器,在機房內(nèi)不斷攪拌和混合空氣,使之達到均勻的平均溫度,防止熱點出現(xiàn),新一代天氣雷達發(fā)射機部分采用的是強迫風(fēng)冷的散熱結(jié)構(gòu)。
根據(jù)牛頓冷卻公式,流體被冷卻時
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0.31 W/cm2的設(shè)備中,在熱設(shè)計中,根據(jù)熱功耗、環(huán)境溫度、元器件工作溫度等因素來設(shè)計風(fēng)道和風(fēng)量,依據(jù)工作電壓、氣流量、風(fēng)壓損失、噪音等情況來選擇風(fēng)機和安裝方式,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)簡單、設(shè)備量少、成本低等優(yōu)點,現(xiàn)有的新一代天氣雷達發(fā)射機柜制冷方式采用一個離心風(fēng)機和3個軸流風(fēng)機的強迫散熱方式。
2 新一代天氣雷達熱報警數(shù)據(jù)分析
2.1 溫度報警分析
作為新一代天氣雷達可靠性熱設(shè)計的重要指標(biāo),機房溫度和設(shè)備方艙超溫報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雷達的報警信息,由圖表看出,溫度報警在影響系統(tǒng)的所有報警中,占36.5%,是影響雷達設(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警多的主要原因。
2.2 需要解決的問題和難點
分析新一代天氣雷達運行環(huán)境的報警數(shù)據(jù),從空調(diào)機功率、制冷量分配、空調(diào)布局、風(fēng)機參數(shù)、噪音、設(shè)備冗余等,存在著可能性難題,為提高整個雷達系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,對現(xiàn)有機房環(huán)境中的制冷結(jié)構(gòu)和散熱方式需要進行優(yōu)化和改進。
3 冷卻系統(tǒng)的調(diào)整和優(yōu)化
3.1 動力環(huán)境中各類信息的采集和監(jiān)控
雷達運行環(huán)境級別主要包括:設(shè)施溫度與濕度測試;設(shè)備布置與氣流流型;設(shè)備制造商的熱負荷與風(fēng)量要求值等內(nèi)容,增加機房動力環(huán)境監(jiān)測單元,實現(xiàn)對環(huán)境的視頻監(jiān)控與信息采集,監(jiān)測關(guān)鍵點的工作溫度,包括環(huán)境溫度和熱點溫度,確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
3.2 冷熱通道調(diào)整
對系統(tǒng)的冷熱通道進行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,采用冷通道封閉管理,精確分配制冷量,按需動態(tài)送風(fēng)的模式,控制氣流是制冷系統(tǒng)設(shè)計的主要目標(biāo)。為解決這一問題,實現(xiàn)將空調(diào)系統(tǒng)與機柜排或單獨的機柜集成,確保向數(shù)據(jù)中心或發(fā)射機柜內(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)測性大大提升,并解決了更高密度的散熱和提升效率。
3.3 機房結(jié)構(gòu)優(yōu)化
隨著精確制冷的發(fā)展,出現(xiàn)了新的行級或機柜級制冷的設(shè)計方式,熱設(shè)計正逐步形成從機房級制冷轉(zhuǎn)向行級制冷的趨勢。通過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現(xiàn)更高的能效目標(biāo)。在線纜架上、風(fēng)機入口處提供精確的制冷量分配,通過制冷容量與熱負載精確匹配,在適當(dāng)?shù)臅r間和地點部署制冷設(shè)備,將冷空氣分配至各負載,防止冷熱空氣混合和消除熱點來降低制冷損耗,使熱設(shè)計最優(yōu)化,以提高可靠性。
4 結(jié)束語
根據(jù)新一代天氣雷達系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)架構(gòu),分析3年來6部雷達的狀態(tài)數(shù)據(jù),找出報警成因和故障疑難點,實現(xiàn)對工作環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控,通過對制冷設(shè)備、冷熱風(fēng)道、機房架構(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,提高熱設(shè)計單元的可測性、可靠性和穩(wěn)定性,延長新一代天氣雷達系統(tǒng)平均無故障工作時間(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熱設(shè)計的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展方向。