采用热管散热功放模块的数字电视发射机简介

顾志忠

（辽宁数字广播电视设备集团有限公司，辽宁 鞍山 114051）

1 热管技术简介

热管技术是20世纪60年代国外科研人员发明的一种称为“热管”的传热元件。它充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其传导热量能力超过任何已知金属的导热能力。经过测试可知，热管的导热速度是Au的1000倍。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，使得困扰风冷散热的散热效果不好和噪音问题得到良好解决，开辟了散热技术的新天地。

为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？从热力学的角度看，物体的吸热、放热是相对的，凡是有温差存在的时候，就必然出现热量从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导。其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。

2 基本工作原理

典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成。将管内抽成 1.3×10-4～1.3×10-1Pa的负压后充以适量的制冷介质（液体），使贴紧管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（吸热段），另一端为冷凝段（放热段），根据应用需要可在两段中间布置绝热段。当热管的一端受热时，吸液芯毛细多孔材料中的液体蒸发汽化（吸收热量），蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传导至另一端。

热管中的毛细多孔材料主要有三个作用：一是提供冷凝段液体回流蒸发段的通道，二是提供内壁与液体/蒸汽进行热传导的通道，三是提供液汽相变产生毛细压力所必须的孔隙。毛细多孔材料可以是粉末烧结或纤维。

3 应用技术背景

目前，国内生产的广播电视发射机都采用大功率场效应管。辽宁数字广播电视设备集团有限公司率先采用了具有较高性价比的MRF6VP3450H功放管，单管数字功率可达90 W。功放模块工作状态下温度很高，必须采用切实有效的冷却散热手段控制功放模块的工作温度，以达到大功率输出、稳定性好的效果。国内外生产的广播电视发射机现在普遍采用两种冷却散热方式来降低系统的温度：一种是强制风冷散热方式，这种方式不能满足大功率发射机的散热要求，直接影响到发射机工作的稳定性和使用寿命；另一种是水冷散热方式，虽然其散热效果较好，但其结构复杂，造价昂贵，维护不方便。

经过反复试验，把热管散热技术应用于广播电视发射机功放模块系统散热，发明了广播电视发射机功放模块热管冷却散热装置（发明专利申请受理号：200910012792.3），其结构简单、冷却效果好、可靠性高，汇集了国内外液冷和风冷发射机的优点，创造了环保、节能、静音、稳定可靠的热管散热广播电视发射机，圆满解决了大功率发射机功放模块散热效果不好的难题。

4 应用技术阐述

广播电视发射机功放模块热管冷却散热装置由基板、设置在基板上（吸热蒸发段）和基板两侧（散热冷凝段）的热导管、设置在热导管的吸热蒸发段上的功放模块和设置在热导管散热冷凝段上的散热翅片组成。热导管内装有制冷介质（工作液体）。热导管由直管段和斜管段组成，其直管段为吸热蒸发段。斜管段为散热冷凝段，且分别设置在基板的两侧。散热冷凝段的斜管段热管与基板成 3°～9°的夹角。

热管的两端（蒸发段和冷凝段）通过机械固定工艺与基板和散热翅片分别密贴固定连接。基板采用高导热金属紫铜制作，热管采用紫铜烧结式热管，翅片采用热导系数很小的合金铝型材制作。热管内的工作介质为具有很低蒸发点的去离子水。

基板的面积和形状与功放模块的散热面形状、面积相同，基板和功率模块通过螺钉固定连接。

热管斜管段设置的作用是提供散热冷凝段工作液体回流到吸热蒸发段的通道。基板上设置功放模块的数量可根据发射机功率大小确定。其确定方法为：根据发射机要求功率确定功放单元的数量和功率，再根据单个功放模块的功率确定每个功放单元上需放置功放模块的数量。如1 kW数字发射机，若划分4个功放单元，则每个功放单元功率至少要达到300 W，如果采用的单个功放模块功率为90 W，则需要在基板上每个功放单元放置4个功放模块。功放模块热管散热装置可根据广播电视发射机功放模块热流密度要求进行改变设计。可以增加热管和翅片的数量，也可以改变翅片的材质，采用热导系数更小的铜制散热翅片增强散热能力，更有效地满足系统温度要求。而热导管斜管段（散热冷凝段）的角度可与广播电视发射机整机机箱和功率保持一致。一般斜管段的角度在5°左右。热导管的尺寸和相对位置由需要散热的功放模块功率以及相关热参数决定。

其工作过程是：

1）热量从发热源即工作状态下的功放模块通过基板将热量传递到热导管的吸热蒸发段一端；

2）热导管内的制冷介质受热在热导管吸热蒸发段内的液—汽分界面上汽化；

3）蒸汽在压差下从热导管直管吸热蒸发段流到热导管斜管散热冷凝段；

4）蒸汽在热导管斜管散热冷凝段内的汽—液分界面上凝结成液体，回流到热导管的吸热蒸发段，如此反复循环，热量被源源不断传导出来；

5）热量从热导管散热冷凝段上的散热翅片散出，由轴流风机引出。

5 性能比较

功放管技术指标比较见表1。

冷却散热效果比较见表2。

表1 功放管技术指标比较

表2 冷却散热效果比较

6 整机优良性能简介

1）功放管采用MRF6VP3450H，整机效率达到25%～30%，大大节约了运行成本，节能减排（整机电耗：3～4 kW/h）。

2）由于MRF6VP3450H单管功率大，在同等功率下使用器件数量少，降低了整机故障。

3）由于热管具备较好的导热能力，使管脚积热得到很好解决，降低了管脚温度，提高了单管效率，延长了使用寿命，降低了长期维护成本。

4）整机采用了145FZY2-S轴流风机，其引风效果好，噪声低，节能环保，提高了整机效率。

5）整机体积小（1760 mm×577 mm×1000 mm）。

6）整机加工工艺采用具有世界先进水平的全自动柔性加工生产线加工，整机工艺达到世界先进水平。

7）自主开发的计算机监控软件，全中文人机对话界面。

7 应用前景及社会经济效益

热管冷却散热技术在广播电视发射机制造中的成功应用是对传统的发射机风冷散热、水冷散热方式的一次革命和创新；圆满地解决了困扰大功率发射机风冷散热效果不好、噪音大的问题和水冷散热造价高、结构复杂、不易维护的缺陷；其应用技术新颖，设计思路独特，装置结构合理，简单实用，方便维护，冷却散热效果优于传统的风冷散热和水冷散热方式；大大降低了发射机的制造成本，提高了发射机工作的稳定性和使用寿命，具有良好的应用推广前景和巨大的社会经济效益；是全国各广播电视台（站）首选的技术先进、具有较高性价比的适用设备。