热管技术在卫星地面站高功放散热中的应用

宁业强，罗雪松，周军，宋忠波，王洪林

（中国卫通集团有限公司，北京　100094）

热管技术在卫星地面站高功放散热中的应用

宁业强，罗雪松，周军，宋忠波，王洪林

（中国卫通集团有限公司，北京100094）

本文以CPI GENIV3kW速调管散热遇到的问题为着眼点，介绍了不良空气质量影响CPI GENIV3kW速调管运行稳定性和寿命的解决办法。CPI GENIV3kW速调管功放风冷空气经过所有的高压电极，高湿度、含有各种悬浮颗粒物以及污染物的空气严重影响设备的稳定运行和使用寿命，导致维护难度高，维护保养中断时间长；鉴于设备运行空间受限和运行耗能大，基于传统空气过滤方法的强制风冷、以及基于空调制冷的机房内循环风冷，都难以兼顾既节能又较好保障速调管安全运行的目的；热管换热系统能效比最高可达15年以上，极其适用于那些局部温度远远高于室外，而且因为室外环境的粉尘和空气污染无法敞开式散热的环境。

高功放；散热；热管；节能环保

1　引言

在卫星测控、广播电视传输、通信关口站等重要、大型的卫星地面站中，为满足EIRP需要，常采用大功率高功放，并将射频机房建设在天线基座旁边，以便减少馈线损耗，这是一种常见布局方式。本文主要是针对此类机房中高功放的散热问题加以讨论，并根据理论分析和实践探索验证后，提出利用热管技术改进既有的散热方式，达到以较高的性价比解决功放故障（损坏）率、维护难等问题的目的。

2　热耗分析

射频机房中诸如上下变频器、场放控制器、天线控制器等设备，虽然数量众多，但单机热耗都非常小，通常这些设备的总热耗不超过300瓦，本文不加以讨论。机房内主要的热耗设备是大功率的高功放，其热耗功率通常达到千瓦量级。以笔者所在卫星地面站使用的某公司生产的GenIV 3千瓦C波段速调管高功放为例，其相关功率数据如表1。

表1　Gen IV 3千瓦C波段速调管高功放功率数据［1］

从表1可以看到，通常情况下，速调管的热耗功率大约为4千瓦。根据资料，极限情况下，高功放整机的热耗功率可以达到7千瓦［2］。为了保障可靠性，卫星地面运行系统一般都配备两台同样设备，构成1主1备高功放冗余系统，这样总的热耗功率可以高达10千瓦以上。高功放散热采用的是强迫风冷方式，指标要求在海拔高度为0米、进风温度在23℃条件下，单台高功放所需的最小气流量为175cfm（约200m3/h），而实际上高功放散热风机气流量能够达到300cfm（约500m3/h）［2］。

3　目前散热方式存在的问题

由于射频机房建设在天线基座旁边，出于成本考虑以及其他条件限制，内部面积一般在30m2至50m2之间，假设机房高度为3m，则容积大致在90m3至150m3之间。可以想象，要在如此小的空间中，保证高功放可靠的散热，具有很高的难度，目前的几种散热方式存在的问题也充分证实了这一点，以下分别予以说明。

3.1热气直排室外+小功率空调方式

散热系统结构如机房布局图1所示。

图1　直排室外+小功率空调

此种结构中，高功放通过自身散热风机，将大量热气直接排到室外，对室内温度基本不会有影响。机房散热系统只需要室内有1台小功率空调，就可以保持温度在25℃左右，达到高功放进气温度的要求。不过这种结构存在极大的问题：

一是两台高功放向外排风的总能力高达1000m3/h，而空调基本不具备从室外进风的能力，在容积100m3左右的空间范围内，空气迅速地被大量抽出，室内与室外相比很快形成负压。此时室内空气温度虽然满足要求、高功放散热风扇也在高速运转，但实际进入高功放的气流量会少于指标要求，达不到良好散热的效果。

二是由于室内为负压，室外空气会从门缝、走线槽等处进入机房，这部分空气没有经过过滤，混合含有大量悬浮颗粒物的污染空气和潮气，进入高功放后，在风阻较大区域、或高压电极等处沉积起来，缩短高压电极间的爬电距离，非常容易引起高压打火。

这两个问题极大地损害了高功放的寿命，严重影响系统的安全运行，并带来巨大的经济损失。维护过程中发现，在此种散热方式下，高功放运行3个月左右，内部就会积累很多灰尘，日志中经常会出现High Voltage Arc（高压打火）告警信息，需要定期经常对高功放和速调管进行清理维护，工作量非常大。

3.2热气直排室外+进气孔+尘降+小功率空调方式

机房布局图2则是对3.1节散热方式的改进。将机房隔离出来一部分作为尘降室，并在尘降室外墙上开一个面积不小于1m2的室外进气孔，用于室内自然吸气的通道。过滤网能够滤掉一部分灰尘，空气在尘降室经过进一步的尘降，通过室内进气孔，和机房内冷空气混合后，进入高功放。

图2　直排室外+进气孔+尘降+小功率空调

由于在夏天时要对进入室内的大量高温空气冷却，空调会满负荷工作，散热系统的全年总能耗会有所增加。虽然此种方式一定程度上改善了室内负压的情况，空气清洁度也有所提升，但是仍然存在不足：

（1）虽然有所改善，但由于室外及室内进气孔和滤网存在风阻，室内仍是负压，3.1节中的问题仍然存在。

（2）由于条件限制，尘降室容积不可能太大，抑尘效果大打折扣。

（3）夏天潮湿空气会直接进入机房，来不及干燥便会进入高功放。高功放速调管的温度虽然在50℃以上，理论上不会出现结露现象，但是由于散热风道的风阻很大，水汽和灰尘仍然比较容易被吸附下来，并由于污染空气中的各种油质废气成分，最终形成比干燥灰尘更难处理的油泥，形成高压打火通道。

在北方沙尘较大的地区，高功放此种散热方式下，一般运行6个月左右时间，内部就会布满灰尘和油泥，需要及时清洁，尽管清洁频次下降，维护保养工作量仍然很大。

3.3热气直排室外+进气孔+尘降+送风+小功率空调方式

为了提升高功放的进气量和空气清洁度，对3.2节散热方式进一步改进，改进后的散热系统结构如机房布局图3所示。

图3　直排室外+进气孔+尘降+送风+空调

在高功放的室内进气口加装一台带有滤网的风机，由于增加了一道过滤网，加强了尘降室的作用，进入高功放的灰尘量大大减小。风机的基本作用是补偿滤网带来的风阻，如果选择增压风机，还能进一步提高进入高功放的气流量。

此种方式中增加了风机的能耗，一般情况功率为200瓦，不过空调只用于其他小热耗设备的散热，所以散热系统的总能耗和3.2节方式相当。

由于进入高功放的灰尘量大大降低，即使空气潮湿，油泥形成的所需时间也较长，加之气流量有所增加，高功放的运行环境有很大的改善，一般一年维护保养一次即可。

此种方式仍不够理想，还存在以下问题未能彻底解决：

（1）夏天时进入高功放的空气温度高、湿度大，出风温度有时会达到70℃以上，速调管的温度较之更高。

（2）冬天时冷空气进入高功放与绝缘陶瓷及橡胶件直接接触，有可能会造成老化甚至损坏。

（3）无法彻底消除油泥。高功放的工作温度指标是-10℃至+50℃范围内［2］，在（1），（2）两种情况下，高功放的实际进气温度靠近边界，存在影响速调管寿命的隐患。

（4）笔者维护的20多台Gen IV 3千瓦C波段速调管高功放采用该种模式运行，每周要对三层滤网进行清洗或更换，尽管工作负荷降低，但仍较为繁琐。

（5）即使采取多层过滤措施，速调管仍然累积湿尘，造成高压放电、工作不稳定、速调管损坏，需要精心拆卸，进行维护清洁。

3.4室内循环+大功率空调方式

一部分卫星地面站为了彻底解决灰尘、油泥问题，提高散热效果，采用了如图4所示散热系统结构。高功放的热气排在机房内，由大功率空调冷却到20℃左右，空气在室内循环使用。

图4　室内循环+大功率空调

此种方式的优点明显，通过大功率空调制冷，隔绝室内外空气，为高功放创造了一个优异的运行环境，彻底解决了上述几种方式存在的问题，维护工作量大幅减小。缺点是机房空调制冷系统能耗巨大、成本高、不经济环保。

4　热管技术在高功放散热中的应用

4.1热管技术简介［3］

热管是20世纪60年代美国工程师发明的一种传热元件，主要由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压充入适量工作液体后密封。当热管的一端受热时液体蒸发汽化，流向另一端释放热量后凝结成液体，靠毛细作用回流。热管充分利用了热传导原理和相变介质的快速热传递性质，导热能力超过任何已知金属。

4.2热管式换热器

热管式换热器的结构如图5所示［4］。蒸发器放置在高温环境下，冷凝器放置在低温环境下，通过金属管道连接，组成一台热管式换热器，以极高的效率将室内热能传导到室外并释放掉，达到散热的效果。为了提升散热能力，可以把蒸发器和冷凝器做成蛇形结构，增大热交换面。通过设计蒸发器和冷凝器的外形结构以及并联使用，热管式换热器的显冷量很容易达到千瓦级别。

图5　热管式换热器

热管装置应用于高功放散热的室内至室外热传导时，只要蒸发器所处位置的设备散热出风温度高于冷凝器所在的室外环境温度，热管式换热器就能够能起散热的作用，温差越大，散热效率就越高。由于其散热原理是利用热管优异的传导效果，实际的产品中只加装风机，而不使用空调压缩机，所以能耗大大降低。对于诸如高功放这样的高热耗局部热源的散热尤其具有很高的性价比优势。

4.3室内循环+热管式换热器+小功率空调方式

此种散热系统结构如图6所示。高功放产生的大量高温气体通过排气管送入热管式换热器，热能得到迅速交换，在室内风机的辅助下，冷却后的空气直接排放在室内，机房内的空气实现了内部循环，隔绝了室内外空气流，热能最终在室外风机的辅助下排向室外。通常情况下，热管装置室内机的出风温度大约比室外温度高10℃左右［5］，北方地区，热管装置室内机夏天的出风温度会达到45℃左右，此时再利用空调将其冷却到25℃左右即可。此种方式的优点：

图6　室内循环+热管式换热器+小功率空调

（1）实现高功放散热空气内循环，射频室内没有负压。

（2）室内所有设备、设施不再受污染空气和湿尘影响，工作稳定，老化、故障率大大降低，寿命更长。

（3）散热系统结构中无滤网构成的风阻，加上换热风扇与功放冷却风扇构成推拉式运行，风速加快，功放速调管冷却效果显著。

（4）功放中断维护减少，速调管不需频密拆卸清洁维护。以往速调管受湿气影响，尘土粘结厚实，极难清除；干燥的循环空气，只有极少灰尘，吹吹就能去除（运行4个月后，速调管干爽、洁净）。

（5）和3.4节散热方式相比，空调所需额定功率减小，并且不需要全年开启，2台风机的额定功率小于500瓦，散热系统的总能耗大大减少。

4.4散热系统能耗推算和比较

由于3.1节至3.3节的散热方式不能为高功放创造一个优异的工作环境，在此不对其能耗进行进一步讨论。本节只对室内循环+大功率空调和室内循环+热管式换热器+小功率空调两种方式中散热系统的一年总能耗进行推算和比较。

假设机房位于北京地区，1个标准大气压，湿度小于30％，空气的密度可取值1.29（kg/m3），比热容可取值1030［J/（kg•℃）］。

4.4.1室内循环+大功率空调散热方式

机房内空气循环的过程为：冷空气进入高功放被加热，热气排到室内，再由空调将其冷却重新进入高功放。可以认为此过程在一个密闭的环境中进行的，不受室外环境温度的影响。假设达到稳定状态后，高功放的进气温度为25℃，排气温度为60℃，两台高功放的排风能力为1，000（m3/h）。

两台高功放每秒排出总空气质量：

由60℃冷却至25℃，需要的制冷功率：

假设空调的能效比为3.5，则其输入功率：

散热系统一年的总能耗：

4.4.2室内循环+热管式换热器+小功率空调散热方式

在室内机风机的辅助作用下，高功放的排气能力会有所增加，设定增加量为30％，则总排气流量为1300（m3/h）。假设达到稳定状态后，高功放的进气温度为25℃，出气温度为60℃。热管式换热器两个风扇的输入功率为500W。

两台高功放每秒排出空气总质量：

（1）11月至次年3月

室外平均温度低于15℃［6］，室内机（蒸发器）的出风温度在25℃左右，此时空调处于关闭状态。散热系统的总能耗为热管式换热器风扇的能耗：

（2）4月、5月、9月、10月

室外平均温度为20℃～25℃［6］，室内机（蒸发器）的出风温度30℃～35℃左右，此时空调处于制冷状态。热管式换热器的能耗：

由35℃冷却至25℃，需要的制冷功率：

假设空调的能效比为3.5，则其输入功率：

空调的能耗：散热系统的总能耗

（3）6月、7月、8月

室外平均温度为30℃～35℃［6］，室内机（蒸发器）的出风温度40℃～45℃左右，此时空调处于制冷状态。

热管式换热器的能耗：

由45℃冷却至25℃，需要的制冷功率：

假设空调的能效比为3.5，则其输入功率：

空调的能耗：

散热系统的总能耗：

（4）散热系统一年的总能耗：

综合4.4.1和4.4.2节的推算可知，采用热管式交换器，每年可以节省能耗：节能比例为：

可以看出，室内循环+热管式换热器+小功率空调散热方式不仅能够为高功放运行创造优异的环境，而且在节能降耗方面也具有巨大的优势。

4.5散热系统成本分析假设散热系统的使用周期为15年，以下对其成本进行分析。

4.5.1前期投入

根据4.4.1节中的分析，空调的额定功率至少为3708瓦，考虑到可靠性，室内循环+大功率空调散热系统需配备2台6匹工业级空调。室内循环+热管式换热器+小功率空调散热系统可以配备1台6匹工业用空调和2台显冷量为6.5千瓦热管式换热器，每台热管式换热器的价格大约3.5万元。所以使用热管式换热器的散热系统前期投入会多4万元左右。

4.5.2年耗电成本

假定工业用电的价格为0.7（元/kW•h），根据4.4节的推算，室内循环+热管式换热器+小功率空调散热系统与室内循环+大功率空调散热系统相比，10年节省的年耗电成本为：

4.5.3安装维护维修成本

热管式换热器和空调的安装要求、方式类似，二者的安装成本基本相同。大功率工业级空调的可靠性较高，根据经验假定平均每年的维护维修费用为2千元，15年总的维护维修成本为3万元。热管式换热器只有风机是有源部件，整机可靠性非常高，可以假定平均每年的维护维修费用为200元，15年总的维护维修成本为3千元。综合上述分析可以看到，使用热管式换热器的散热系统在15年运行时间内可以节约将近20万元的成本。

与室内循环+大功率空调散热系统相比，热管式散热系统对高功放系统运行环境的改善是相同的，完全隔绝了室内外空气对流，对延长高功放寿命，降低故障率，显著减轻维护保养工作量方面具有同等效力，可以保证高功放系统实现10～15年的预期寿命。

5　结束语

将热管技术用于卫星地面站高功放散热，有效地解决了机房负压、潮湿、空气污染和灰尘量大等问题，为高功放安全稳定的运行创造了优异的环境，进而为整个卫星测控、通信系统的安全运营奠定了基础。与单纯使用大功率空调相比，热管技术具有节能降耗、运行环保的特点，大幅度节省了运营和维护成本。同时，热管式换热器安全可靠、外形可根据用户要求定制、安装维护维修方便。笔者所在卫星地面站目前引入两套热管式换热器用于高功放散热，经过半年的运行，取得了良好的效果，验证了热管技术在高功放散热中的优异特性，具有大量推广的价值，可以应用在各种类似场合，对大量散热提供高效率解决方案，保障机房洁净运行环境，意义重大。

［1］Service Manual Gen IV 2003 Klystron High Power Amplifier

［2］Installation & Operation Manual Gen IV 2003 Klystron High Power Amplifier

［3］中国冶金行业网

［4］Green RF Room HPA and RF Module Heat Transfer

［5］德能恒心热管式换热器操作说明书

［6］天气网www.tianqi.com

Application of Heat Pipe Technique in Satellite Earth Station Cooling

Ning Yeqiang，Luo Xuesong，Zhou Jun，Song Zhongbo，Wang Honglin
（China Satellite Communications Co. Ltd，Beijing，100094）

This article focuses on CPI GENIV3kW klystron amplifier cooling，introducing the solution of preventing bad air damaging CPI GENIV3kW klystron amplifier’s stability and life. CPI GENIII and the early klystron amplifier were less affected by air，since cold air only worked on cooling fins. However，when using GENIV3kW klystron，cold air blows over all the high voltage electrodes. The high-salt，high-humidity，dusty air severely impacts the stability and life of equipments，causing many difficulties to maintenance. Due to the limitation of equipment operation space and high power dissipation，traditional air-forced cooling and air-conditioner cooling could not be both energy efficient and safe. Heat pipe system’s EER （energy efficiency ratio） can go up to 15 and above，therefore，is extremely appropriate for those thermal environments whose local temperature is highly above outdoor temperature and cannot be open because of the dust outside.

High Power Amplifier； Cooling； Heat Pipe； energy efficiency and environmental protection

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.003

TN927+.21

B

1672-7274（2015）04-0010-06