CN110891404A - 一种新型广播电视大功率数字发射机浸没式高效油冷散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型广播电视大功率数字发射机浸没式高效油冷散热装置，包括功率放大单元、油冷机柜、热交换器、水塔散热器和风冷散热器，油冷机柜内盛装有冷却油，功率放大单元设在油冷机柜内并浸没在冷却油里，油冷机柜设有进油口和出油口；出油口分别连接有热交换器和风冷散热器，热交换器连接有水塔散热器，风冷散热器和热交换器分别与进油口连接，热交换器连接有水塔散热器，风冷散热器和热交换器与油冷机柜形成并联回路。功率放大单元直接将热量传递给冷却油，冷却油吸收热量通过热交换器或风冷散热器进行热交换，流入油冷机柜内的冷却油保持在较低范围内，从而使油冷机柜内的功率放大单元的工作温度恒定，达到整体高效散热的效果。
Description
技术领域
本发明涉及大功率电器散热设备技术领域，特别涉及一种新型广播电视大功率数字发射机浸没式高效油冷散热装置。
背景技术
广播电视发射传输设备,无论是传统的模拟发射机还是现在快速发展的数字发射机，其功放末级放大单元都存在大功率、高能耗、低效率的特点，在运行中产生热量很高，而且价格昂贵的MOS功放管管脚温度过高既导致效率降低，又经常致其损坏。现阶段，国内外主流数字发射机多采用自然风冷、循环水冷和热管冷却散热系统，发射台机房多采用空调制冷和风机抽热的方式散热，这些冷却方式噪声大、灰尘过多、效率较低，长期运行致使发射机设备故障率居高不下，最重要是消耗电量较大，从而导致发射台站运行维护成本居高不下。因此，广播电视发射机散热冷却系统一直以来都是生产厂家、技术从业人员所面临的严峻技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型广播电视大功率数字发射机浸没式高效油冷散热装置，以解决上述的现有技术中存在的问题。本发明采用如下技术方案：
一种新型广播电视大功率数字发射机浸没式高效油冷散热装置，包括功率放大单元，还包括油冷机柜、热交换器、水塔散热器和风冷散热器，所述油冷机柜内盛装有冷却油，所述功率放大单元设在油冷机柜内并浸没在冷却油里，所述油冷机柜设有进油口和出油口；出油口分别连接有热交换器和风冷散热器，所述热交换器连接有水塔散热器，风冷散热器和热交换器分别与进油口连接，热交换器连接有水塔散热器，风冷散热器和热交换器与油冷机柜形成并联回路。
进一步的，还包括带有显示器的控制器、与控制器的输入端电性连接的多个温度传感器和与控制器的输出端电性连接的多个电动阀，油冷机柜的进油口、出油口、风冷散热器和油冷机柜内分别设置第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器；出油口与热交换器之间设有第一电动阀，出油口与风冷散热器之间设有第二电动阀，热交换器与进油口之间设有第三电动阀，风冷散热器与进油口之间设有第四电动阀。
进一步的，所述热交换器与水塔散热器之间设有循环冷却水泵，所述控制器的输出端分别连接风冷散热器的电机和循环冷却水泵。
进一步的，所述出油口设有并联的两台变频油泵，一用一备，每台变频油泵的入口分别设有第五电动阀和第六电动阀。
进一步的，所述油冷机柜内固定连接有支架，所述功率放大单元包括放大电路和多孔铜板，所述放大电路固定连接到多孔铜板上，多孔铜板与所述支架固定连接。
进一步的，所述油冷机柜采用厚度为2.5mm的SUS304制成的双层嵌套式结构，两层SUS304之间设有龙骨甲，其内部填充不燃隔热材料。
进一步的，所述冷却油为二甲基硅油
本发明的有益效果如下：
1、本发明将一种新型的浸入式散热方式应用于功率放大单元，功率放大单元直接将热量传递给冷却油，冷却油吸收热量通过热交换器或风冷散热器进行热交换，流入油冷机柜内的冷却油保持在较低范围内，从而使油冷机柜内的功率放大单元的工作温度恒定，达到整体高效散热的效果。由于移除了功率放大单元的风机部分，消除了噪音源，基本可以做到机房的绝对静音，机房中心音量远低于国标规定相关环境噪音值，节约大量的电力资源，减少了炭排放，环保卫生。此外，针对广播电视数字发射机设计的油冷机柜，大幅减少机房使用空间，从根本上解决了大多数广播电视发射机房空间狭小、扩展性不强以及再建成本高的种种难题，而且真正实现绿色环保、以人为本、经济发展的机房办公区一体化。
2、本发明设有带显示器的控制器，控制器的输入端与多个温度传感器电性连接，温度传感器将实时监测到的温度显示在显示器上，确保了使用者可以直观地掌握工作温度。控制器的输出端电性连接有多个电动阀、电机和循环冷却水泵，根据温度传感器监测到的温度，控制器启动风冷散热器或热交换器和水塔散热器，从而实现了应用场景不同、季节不同自动切换散热系统的功能。
3、现有技术中大功率广播电视发射系统主要耗能部分为设备内部风扇、功率放大单元以及空调制冷等部分的耗电量，其中设备内部风扇和空调制冷两项的电力消耗约占85％以上，本发明相比于现有的广播电视数字发射机风冷散热能耗降低90％-95％，以当前主流的3KW数字发射机为例，每年节约电力约13万度，经费节约10万以上。
4、本发明的冷却油选用二甲基硅油，二甲基硅油具有特殊的滑爽性、柔软性、憎水性，良好的化学稳定性、优异的电绝缘性和耐高低温性。它是以Si—O 为主链，R为苯基集团，链能大，通过实验得出二甲基硅油在强电场、强辐射和高温下具有很高的稳定性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中油冷机柜的结构示意图；
图3是图2的侧视图；
图4是图2中A-A面的剖面图；
图5是单个功率放大电路板浸入前后增益(频率770MHz)对比图。
图中所示：1-油冷机柜，2-支架，3-第二温度传感器，4-功率放大单元，5- 第四温度传感器，6-第一温度传感器，7-变频油泵，8-第五电动阀，9-第六电动阀，10-第一电动阀，11-第二电动阀，12-控制器，13-第三温度传感器，14-风冷散热器，15-热交换器，16-循环冷却水泵，17-水塔散热器，18-第三电动阀，19- 第四电动阀，20-进油口，21-出油口，22-控制线扣，23-信号线口，24-电源线口。
具体实施方式
如图1所示，一种新型广播电视大功率数字发射机浸没式高效油冷散热装置，包括功率放大单元，还包括油冷机柜1、热交换器15、水塔散热器17和风冷散热器14，油冷机柜1内盛装有冷却油，功率放大单元4设在油冷机柜1内并浸没在冷却油里，冷却油为二甲基硅油。
油冷机柜1采用厚度为2.5mm的SUS304制成的双层嵌套式结构，两层 SUS304之间设有龙骨甲，其内部填充不燃隔热材料。油冷机柜1的正面设有进油口20和出油口21，侧面开设有控制箱口、信号线口和电源线口。出油口21 分别连接有热交换器15和风冷散热器14，热交换器15连接有水塔散热器17，风冷散热器14和热交换器15分别与进油口20连接，热交换器15连接有水塔散热器17，风冷散热器14和热交换器15与油冷机柜1形成并联回路，设备之间均采用φ32mm的PVC管件连接。
本发明还包括带有显示器的控制器12、与控制器12的输入端电性连接的多个温度传感器和与控制器的输出端电性连接的多个电动阀，油冷机柜1的进油口20、出油口21、风冷散热器14和油冷机柜1内分别设置第一温度传感器6、第二温度传感器3、第三温度传感器13和第四温度传感器5；出油口与热交换器之间设有第一电动阀10，出油口21与风冷散热器14之间设有第二电动阀11，热交换器15与进油口20之间设有第三电动阀18，风冷散热器14与进油口20 之间设有第四电动阀19。
热交换器15与水塔散热器17之间设有循环冷却水泵16，控制器12的输出端分别连接风冷散热器14的电机和循环冷却水泵16。出油口21设有并联的两台变频油泵7，一用一备，每台变频油泵7的入口分别设有第五电动阀8和第六电动阀9。
油冷机柜1内固定连接有支架2，功率放大单元4包括放大电路和多孔铜板，放大电路固定连接到多孔铜板上，多孔铜板与支架2固定连接。
冷却媒介选取实验
为确保本发明的科学严谨，我们首先对比选取不同冷却媒介，并对数字发射机的单个功放浸入试验。具体做法如下：
1、本次实验中，最重要的就是绝缘导热液体的选择。绝缘导热液体是用以隔绝不同电位导电体，并能迅速传导热量的液体，又称绝缘导热油。它主要取代气体，填充固体材料和设备内部或极间的空隙，以提高其介电性能，并改进设备的散热能力。液体绝缘材料按材料来源可分为矿物绝缘油、植物油和合成绝缘油三大类。
(1)我们首先选择使用矿物质绝缘油，但是矿物绝缘油是多种碳氢化合物的混合物，难以除净降低绝缘性能的组分，且制取工艺复杂，又没有抗高频辐射能力。它在电热和高频辐射情况下C—H要断链裂价。这样的油类裂价老化之后，要放出氢气和形成蜡状物质：
2CnH2n+2(油)→H2(气)+CnH4n+2(蜡)
所以此油类作为发射机的冷却剂不适合。
(2)植物油作为天然绝缘油的一种，存在着易燃烧，耐热性低，介电常数不高，性价比较低的缺点，也不适宜作为发射机的导热媒介。
(3)在合成绝缘油中我们选用二甲基硅油作为本发明的冷却媒介。从化学结构理论知道，凡属Si—O键和杂环化合物的材料，都具有抗辐射、耐高温等优良性能。
从苯甲基硅油的分子结构看，它是以Si—O为主链，R为苯基集团。所以链能很大，在强电场、强辐射和高温下具有相对的稳定性。环聚二甲基硅氧烷是二甲基硅油的化学名称，分子式是：(CH3)3SiO[(CH3)2SiO]n-Si(CH3)3，它是一种无色透明的新型合成高分子材料，有多种不同的粘度(50±10mp.s～1000000±10000mp.s),从极易流动的液体到稠厚的半固态物。
二甲基硅油具有特殊的滑爽性、柔软性、憎水性，良好的化学稳定性、优异的电绝缘性和耐高低温性。闪点高、凝固点低，并可在-50℃～+200℃下长期使用，粘温系数小、压缩率大，表面张力低，憎水防潮性好，比热导热系数小。且二甲基硅油惰性极强，具有很好的抗氧化性能，几乎无毒，环保性能良好，是一种的理想的绝缘导热液体。
接下来进行功率放大单元浸泡在二甲基硅油中时对功率放大单元的正常使用是否产生影响进行测定。
选取单个功率放大电路板(单个功放模块包含若干功放板，视功率而定，单个功放板选取的是BLF888E放大管电路)，该电路板主要用于将激励器输出小功率电视视频信号进行放大，功率放大能力为2000瓦。
设计该功率放大电路板的小功率信号输入接口和大功率输出吸收负载，而后将该电路板整体浸入一个适当的装有二甲基硅油的容器中，图5为单个功率放大电路板浸入前后增益(频率770MHz)对比，其中白色为浸入前为-36.33dB, 黄色为浸入后增益-32.07dB，增益差为4.26dB。
经过一周加电测试，单个功率放大电路板工作正常，核心带肩指标没有变化，其中带肩指数使用KeySights N9030A进行48小时跟踪测试，该增益指标稳定在-32±0.5dB，初步证明了将发射机核心电路完全浸入惰性冷曲有中不影响设备正常工作，确定了该发明使用的散热系统是可行、可靠的。
本发明的工作过程如下：
初始状态时，第六电动阀9、第二电动阀11和第四电动阀19开启，其余电动阀处于关闭状态，并启动风冷散热器14，从出油口流出的冷却油经过风冷散热器14冷却后通过进油口20流入油冷机柜1内。第一温度传感器6、第二温度传感器3、第三温度传感器13和第四温度传感器5将实时监测的温度传送到控制器12，并在显示器上显示。控制器12上预先设置最高临界温度和最低临界温度，当监测到的第二温度传感器3监测到的温度达到最高临界温度时，控制器将关闭第二电动阀11和第四电动阀19，开启第一电动阀10、第三电动阀18和循环冷却水泵16，从出油口流出的冷却油经过热交换器15与冷却水热交换后通过进油口流入油冷机柜内，热交换后的冷却水通过循环冷却水泵16流入水塔散热器17进行散热后重新流入热交换器15内。当监测到的第二温度传感器3检测到的温度降到最低临界温度时，控制器12关闭第一电动阀10、第三电动阀 18和循环冷却水泵16，重新开启第二电动阀11和第四电动阀19，并启动风冷散热器14。
需要切换变频油泵7时，开启第五电动阀8的同时关闭第六电动阀9，实现主、附变频油泵7之间的切换。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种广播电视大功率数字发射机功率放大单元高效油冷散热装置，包括功率放大单元，其特征在于，还包括油冷机柜、热交换器、水塔散热器和风冷散热器，所述油冷机柜内盛装有冷却油，所述功率放大单元设在油冷机柜内并浸没在冷却油里，所述油冷机柜设有进油口和出油口；出油口分别连接有热交换器和风冷散热器，所述热交换器连接有水塔散热器，风冷散热器和热交换器分别与进油口连接，热交换器连接有水塔散热器，风冷散热器和热交换器与油冷机柜形成并联回路。
2.根据权利要求1所述的一种广播电视大功率数字发射机功率放大单元高效油冷散热装置，其特征在于，还包括带有显示器的控制器、与控制器的输入端电性连接的多个温度传感器和与控制器的输出端电性连接的多个电动阀，油冷机柜的进油口、出油口、风冷散热器和油冷机柜内分别设置第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器；出油口与热交换器之间设有第一电动阀，出油口与风冷散热器之间设有第二电动阀，热交换器与进油口之间设有第三电动阀，风冷散热器与进油口之间设有第四电动阀。
3.根据权利要求2所述的一种广播电视大功率数字发射机功率放大单元高效油冷散热装置，其特征在于，所述热交换器与水塔散热器之间设有循环冷却水泵，所述控制器的输出端分别连接风冷散热器的电机和循环冷却水泵。
4.根据权利要求1-3中任意一条权利要求所述的一种广播电视大功率数字发射机功率放大单元高效油冷散热装置，其特征在于，所述出油口设有并联的两台变频油泵，一用一备，每台变频油泵的入口分别设有第五电动阀和第六电动阀。
5.根据权利要求1-3中任意一条权利要求所述的一种广播电视大功率数字发射机功率放大单元高效油冷散热装置，其特征在于，所述油冷机柜内固定连接有支架，所述功率放大单元包括放大电路和多孔铜板，所述放大电路固定连接到多孔铜板上，多孔铜板与所述支架固定连接。
6.根据权利要求1-3中任意一条权利要求所述的一种广播电视大功率数字发射机功率放大单元高效油冷散热装置，其特征在于，所述油冷机柜采用厚度为2.5mm的SUS304制成的双层嵌套式结构，两层SUS304之间设有龙骨甲，其内部填充不燃隔热材料。
7.根据权利要求1-3中任意一条权利要求所述的一种广播电视大功率数字发射机功率放大单元高效油冷散热装置，其特征在于，所述冷却油为二甲基硅油。
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2019
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