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；冷風道；對流換熱；可測性

    根據(jù)中華人民共和圍國家軍用標準(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，不超過標準及規(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)境標準
    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)標準制定，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)管風機用于耗散這部分熱量，主要采用強迫風冷的散熱結(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)計風道和風量，依據(jù)工作電壓、氣流量、風壓損失、噪音等情況來選擇風機和安裝方式，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機和3個軸流風機的強迫散熱方式。

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，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)送風的模式，控制氣流是制冷系統(tǒng)設(shè)計的主要目標。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，緊靠熱源的制冷方案可實現(xiàn)更高的能效目標。在線纜架上、風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?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)工程化和標準化的解決方案是下一代天氣雷達熱設(shè)計的行業(yè)標準和發(fā)展方向。