ШКАФ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 1997 года по МПК H05K7/20 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании приборных шкафов с жидкостным охлаждением для размещения в них выдвижных радиоэлектронных блоков.

Известен приборный шкаф шестиэтажная базовая несущая конструкция третьего уровня (БНК-3), известная из чертежа разработки ЦНИИ "Агат" - КА4.163.119, включающая корпус КА4.107.259, в который встроена жидкостная система охлаждения. Корпус содержит теплообменники, укрепленные на межэтажных перегородках. Для каждого из этажей имеется своя пара теплообменников
верхнего и нижнего. В теплообменниках уложены змеевики для прохождения теплоотводящей жидкости. Теплообменники с помощью штуцеров, соединительных трубок и других элементов в трубопроводов связаны с магистральными трубами, расположенными внутри корпуса КА4.107.259 возле его боковых стенок.

Описанная конструкция приборного шкафа-аналога достаточно сложна по конструкции и в изготовлении, создает определенные сложности при изготовлении на ее основе приборов со съемными блоками и не обеспечивает их удобной и надежной эксплуатации.

Так, при изготовлении шкафа требуется изготавливать теплообменники большой площади с завальцованными в них трубками (змеевиками). Размеры теплообменника в одном из направлений примерно равны длине съемного блока, а в другом ширине проема секции (этажа) шкафа для встраивания блоков. Сборка приборного шкафа-аналога затруднена из-за необходимости установки и крепления внутри корпуса магистральных труб, теплообменников, соединенных трубок и других элементов, т.к. при внутреннем их расположении к ним имеется ограниченный доступ, стесняющий действия сборщика, который должен манипулировать инструментами (отвертками, гаечными ключами, дрелью и т.д.).

При изготовлении на основе данного шкафа прибора со съемными блоками, такого, что каждый из этажей представляет собой функционально законченное устройство (например, мини-ЭВМ, устройство вторичного электропитания, преобразователь данных и т.п.), регулировка, контроль, испытания прибора могут производиться из-за необходимости охлаждения съемных радиоэлектронных блоков либо в составе всего прибора с последовательным выполнением необходимых операций по этажам, либо с использованием технологических стендов с жидкостным охлаждением, в которых размещаются съемные блоки, относящиеся к определенному этажу прибора. Однако в первом из отмеченных выше случаев существенно увеличивается цикл изготовления прибора из-за практической невозможности распараллеливания работ по многоэтажному прибору между несколькими специалистами. Например, с прибором на базе шестиэтажного приборного шкафа могут сначала работать 1-2 регулировщика, затем 1-2 контроллера и т. д. Привлечение большего количества специалистов бесполезно из-за ограниченных размеров прибора и необходимости работы каждого из них с контрольно-диагностической аппаратурой и технической документацией.

Во втором случае хотя, и обеспечивается распараллеливание работ между несколькими специалистами, но требуется большое количество стендов с жидкостным охлаждением, особенно при серийном изготовлении приборов. Из этого вытекает необходимость для серийного производства изготавливать не только несущие конструкции приборные шкафы, но и технологические стенды, которых будет требоваться тем больше, чем большее количество приборов одновременно будет изготавливаться в производстве.

В случае протечек жидкостной системы охлаждения из-за внутреннего расположения трубопроводов и их элементов имеется большая вероятность того, что охлаждающая жидкость попадает в токоведущие части блоков, электромонтаж и будет иметь место выход из строя прибора, а, возможно, и комплекса взаимосвязанных приборов, которые не могут работать один без других. Для ремонта неисправностей системы охлаждения потребуется полный демонтаж прибора с извлечением съемных блоков, коммутационных плат межблочных связей, т.к. работы по системе охлаждения могут выполняться только под пустой несущей конструкцией (приборным шкафом), не содержащей прецизионных дорогих электронных блоков и устройств. При этом работы будут производиться в условиях затрудненного доступа к штуцерам и другим соединительным элементам трубопроводов.

Понятно, что указанные недостатки обусловлены тем, что система охлаждения является встроенной внутрь приборного шкафа.

Таким образом, приборный шкаф, принятый за аналог, сложен по своей конструкции, сложен в изготовлении приборов на его основе и недостаточно надежен и удобен в эксплуатации.

Кроме того, такой шкаф из-за большой площади теплообменников нередко является избыточным по отводимой им тепловой мощности, в то время как тепловыделение встраиваемых в шкаф блоков имеет тенденцию к снижению из-за совершенствования элементной базы (интегральных микросхем и других электрорадиоизделий (ЭРИ).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является шкаф радиоэлектронной аппаратуры, который содержит каркас с горизонтальными несущими (межэтажными) перегородками, к которым крепятся поэтажно один над другим корпуса с радиоэлектронными блоками. Эти корпуса образованы основаниями жидкостными теплообменниками и боковыми стенками. Данная конструкция более проста и технологична в изготовлении, обеспечивает возможность распараллеливания работ как при изготовлении шкафа, так и при регулировке, контроле и испытаниях приборов на его основе. Она более надежна и удобна в эксплуатации по сравнению с аналогом.

Однако и эта конструкция не свободна от недостатков, оставаясь достаточно сложной по конструкции и в изготовлении, а также недостаточно удобной и надежной в эксплуатации.

Так, шкаф в съемных корпусах содержит жидкостные теплообменники большой площади с завальцованными в них трубками (змеевиками), которые весьма сложны в изготовлении из-за их фигурного профиля. Длина каждого из теплообменников равна длине съемных блоков. Понятно, что с помощью таких теплообменников обеспечивается отвод тепла большой мощности, хотя тепловыделение блоков, разрабатываемых в последние годы, как правило, снижается благодаря применению более совершенной элементной базы, выполненной, например, по КМОП-технологии.

Шкаф также содержит большое количество пространственно изогнутых элементов трубопроводов (змеевиков, трубок), которые также требуют повышенного количества трубок из дефицитных и дорогих коррозионностойких сплавов (например, нержавеющей стали 12X18H10T), выдерживающих длительное воздействие коррозионной среды охлаждающей жидкости. При изготовлении пространственно изогнутых змеевиков, трубок требуется выполнение большого количества гибок трудоемких технологических операций с использование специальных приспособлений и оснастки.

При съеме корпусов с теплообменниками с каркаса (например, для регулировки, устранения неисправностей или в других случаях) требуется расстыковка жидкостной системы охлаждения, а затем при установке их вновь - стыковка. При этом каждый раз необходимо производить перезаполнение жидкостной системы теплоносителем в целях удаления пузырьков воздуха и исключения закупоривания ими участков жидкостного тракта. Для исключения этого недостатка, в принципе, было бы возможно установить необходимое количество специальных запорных вентилей (на корпусах и соединительных трубках, идущих от магистральных труб), которые сводили бы к минимуму проблему расстыковки/стыковки и перезаполнения гидравлического тракта. Однако это еще более усложнило бы конструкцию шкафа и его изготовление, но не исключило бы полностью работы по перезаполнению шкафа охлаждающей жидкостью из-за возможности попадания, пусть и в небольшом количестве, пузырьков воздуха в гидравлическую систему.

Данный шкаф также недостаточно надежен в эксплуатации, т.к. содержит штуцерные соединения, с которыми при обслуживании шкафа (при съеме и установке корпусом с блоками) должны производиться определенные манипуляции. При этом возможны повреждения штуцерных соединений или их некачественное соединение, способное привести к протечкам теплоносителя.

Таки образом, известный шкаф радиоэлектронной аппаратуры, принятый за прототип, все же сложен по своей конструкции и в изготовлении и недостаточно удобен при эксплуатации. Это обусловлено тем, что элементы жидкостной системы охлаждения расположены не только на каркасе, но и на всех съемных корпусах.

Целью изобретения является повышение технологичности изготовления, а также повышение надежности и удобства в эксплуатации.

Цель достигается за счет того, что в шкафу радиоэлектронной аппаратуры, содержащем несущий каркас, необходимое количество горизонтальных межэтажных опор на его передней стороне, установленные поэтажно один над другим съемные корпуса, образованные полками и боковыми стенками со встроенными в них радиоэлектронными блоками, жидкостные теплообменники с основаниями для теплового контактирования и каналами для хладагента, жидкостные теплообменники установлены на горизонтальных опорах с расположением их оснований для теплового контактирования параллельно передней стороне каркаса наружу, а корпуса с блоками закреплены на теплообменниках с возможностью контактирования задних торцов полок корпусов и оснований для теплового контактирования теплообменников, причем полки выполнены с нарастанием их толщины в сторону теплообменников.

Сопоставительный анализ показывает, что предложенное устройство отличается от известных тем, что жидкостные теплообменники установлены на горизонтальных опорах каркаса с расположением их оснований для теплового контактирования параллельно передней стороне каркаса наружу, а съемные корпуса с блоками закреплены на теплообменниках с возможностью контактирования задних торцов полок корпусов и оснований для теплового контактирования, причем полки выполнены с нарастанием их толщины в сторону теплообменников. Это обеспечивает повышение технологичности изготовления, а также надежности и удобства эксплуатации шкафа радиоэлектронной аппаратуры за счет сокращения количества теплообменников, уменьшения их размеров и размещения элементов системы охлаждения на каркасе. Таким образом, заявляемый шкаф радиоэлектронной аппаратуры соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другим техническими решениями в данной области техники позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен шкаф радиоэлектронной аппаратуры в разобранном состоянии, общий вид в аксонометрии; на фиг.2 вид шкафа спереди; на фиг.3 - вид шкафа сверху; на фиг.4 вид шкафа сбоку (слева); на фиг.5 сечение А-А на фиг. 2.

Шкаф радиоэлектронной аппаратуры содержит выполненный в виде рамки из швеллеров каркас 1 с задней крышкой 2. На каркасе 1 с передней стороны имеются межэтажные опоры 3, количество которых соответствует количеству этажей шкафа. На эти опоры установлены жидкостные теплообменники 4 (по одному на опору) с завальцованными в них трубками 5 для прохождения хладагента. Конфигурация и размещение теплообменников 4 таковы, что их основания 6 для теплового контактирования оказываются параллельными передней стороне каркаса 1 и обращены наружу.

На боковых сторонах каркаса 1 вдоль них закреплены магистральные трубы 7 и 8 ввода и вывода жидкого хладагента. С этими трубами 7 и 8 с помощью штуцеров 9 соединены входные и выходные концы трубок 5.

На каркасе 1 установлены поэтажно один над другим съемные корпуса 10, образованные верхними 11 и нижними 12 полками и боковыми стенками 13. В корпуса 10 встроены выдвижные радиоэлектронные блоки 14 (каждый выдвижной блок выполнен на основе теплопроводящей пластины, или теплостока, из теплопроводящего материала, например из алюминиевого сплава марки А5, на которую с двух сторон напрессованы многослойные печатные платы с ЭРИ для поверхностного монтажа; в графических материалах конструктивные элементы выдвижных блоков, коммутационных плат межблочных связей подробно не показаны).

На внутренних сторонах каждой из полок 11, 12, выполненных из теплопроводного материала, например из алюминиевого сплава марки АМr6, имеются пазы, по которым вдвигаются и выдвигаются блоки 14. Ширина пазов задается такой, чтобы с одной стороны, обеспечить гарантированную установку блоков и сочленение их соединителей с ответными частями на платах межблочных связей (в графических материалах не обозначены выносками), а с другой стороны, обеспечить приемлемое тепловое сопротивление между стенками пазов и теплостоками 14. Практически паз должен быть на 0,3 0,4 мм шире номинальной толщины теплостока блока 14.

Каждый корпус 10 с блоками 14 крепится к основаниями 6 теплообменников 4 через задние торцы 15 верхней и нижней полок 11 и 12 с помощью винтов 16, которые ввинчиваются в стальные резьбовые втулки 17 теплообменников 4. Полки 11 и 12 имеют в поперечном сечении клиновидную форму (см. фиг.5), расширяясь в сторону теплообменников 4. Такая форма полок 11, 12 обусловлена нарастанием передаваемого теплового потока в направлении его передачи, а также необходимостью оптимизации металлоемкости конструкции шкафа.

Отметим, что процесс отвода тепла от ЭРИ блоков 14 на хладагент осуществляется по следующему тракту корпус ЭРИ тонкая электроизоляционная прокладка под корпусом ЭРИ печатная плата теплосток полки 11 и 12 корпусов 10 торцы 15 полок основания 6 для теплового контактирования теплообменников 4 стенки трубок 5 хладагент.

Корпуса 10 снабжены передними 18 и задними 19 крышками, предохраняющими блоки 14 и монтаж коммутационных плат от попадания пыли или воздействия других внешних факторов.

Для обеспечения электрического подключения, а также съема в случае необходимости корпусов 10 с блоками 14 каждый из корпусов 10 снабжен электрическими соединителями 20, размещенными, например, с одной из его боковых сторон.

Внутри каркаса 1 установлены ответные части 21 соединителей 20 и размещен внутриприборный электромонтаж 22; на каркасе 1 сверху установлены соединители внешних связей 23.

Изготовление и сборка шкафа осуществляются в следующем порядке.

Сначала изготавливают каркас 1 с элементами системы жидкостного охлаждения, магистралями 7, 8, теплообменниками 4, соединителями внешних 23 и внутренних 22 связей, с электромонтажом 22, а также корпуса 10 для размещения блоков 14.

Изготовленные корпуса 10 поступают на сборку и электромонтаж в них функциональных устройств. Каждый корпус 10 с блоками 14 представляет собой какое-либо функциональное устройство (мини-ЭВМ, преобразователь данных, устройство вторичного электропитания и т.п.). При этом в корпусе 10 устанавливаются не только выдвижные блоки 14, но коммутационные платы межблочных связей (не обозначены), соединители 20. Между выводами соединителей 20 и коммутационной платой, а также не самой коммутационной плате выполняется необходимый электромонтаж.

После сборки и электромонтажа корпуса 10 с блоками 14 функционально-законченные устройства подвергаются регулировке, контролю, испытаниям и предъявлению заказчику. При этом от них должно отводиться тепло, выделяемое блоками 14. Для этого к торцам 15 полок 11, 12 корпусов 10 временно крепятся теплообменники 4, входящие в комплект, изготовленный для другого аналогичного шкафа или дополнительно изготовленные в очень ограниченном количестве для проведения указанных работ по всем изготовливаемым шкафом. Так как теплообменники 4 оканчиваются выходящими из них и справа штуцерами 9, то они легко могут быть присоединены к имеющимся на производстве трассам подачи и отвода хладагента.

После выполнения операций регулировки, контроля, испытаний и предъявления заказчику корпуса 10 с блоками 14 поступают на сборку шкафа радиоэлектронной аппаратуры. Корпуса 10 через задние торцы 15 полок 11, 12 винтами 16 крепятся к теплообменникам 4 каркаса 1. При этом осуществляется сочленение соединителей 20 и их ответных частей 21.

Эксплуатационное обслуживание шкафа осуществляется следующим образом.

При неисправности любого из выдвижных блоков 14 снимается передняя крышка 18 нужного корпуса 10, извлекается требуемый блок 14 и заменяется исправным и т.д.

В случае необходимости замены целиком любого из корпусов 10 с блоками 14 вывинчиваются винты 16 и корпус 10 снимается с каркаса.

При съеме корпуса 10 происходит только расстыковка соединителей 20 и 21, а расстыковка жидкостной системы охлаждения не требуется, т.е. она полностью смонтирована на каркасе 1.

Предложенный шкаф радиоэлектронной аппаратуры по сравнению с прототипом более прост по конструкции, а, следовательно, и более технологичен в изготовлении.

Это достигается за счет того, что жидкостные теплообменники с каналами для хладагента установлены на горизонтальных опорах передней стороны каркаса с расположением их оснований для теплового контактирования параллельно передней стороне каркаса наружу, а корпуса с блоками закреплены на теплообменниках с возможностью контактирования задних торцов полок корпусов и оснований для теплового контактирования теплообменников.

Предложенное техническое решение упрощает конструкцию и повышает технологичность изготовления шкафа, т.к. существенно упрощаются теплообменники за счет уменьшения в 3-4 раза по сравнению с прототипом площадей их оснований для теплового контактирования. Вследствие этого исключается необходимость выполнения большего количества фигурных пазов для укладки в них трубок змеевиков, самих змеевиков с большим количеством колен (изгибов), а также существенно сокращаются работы по завальцовке трубок в пазах.

При этом количество теплообменников сложной конфигурации (сечения) сокращается почти в 2 раза. Так, например, для шестиэтажного шкафа-прототипа требуется 2•6=12 теплообменников большой площади, используемых для образования корпусов для встраивания съемных блоков. В предлагаемом же шкафу из шести этажей необходимо всего 6+1=7 теплообменников малой площади. В тоге суммарная площадь теплообменников сокращается примерно в 7 раз для шестиэтажного шкафа. В то же время теплоотводящая способность предлагаемого шкафа в соответствии с расчетными данными уменьшается всего лишь в 1,6 раза.

Упрощаются конструкция и изготовление корпусов для блоков, т.к. их полки теперь представляют собой простые клиновидные детали с поперечными пазами для направления блоков. Клиновидные полки, простые по форме, обеспечивают необходимые жесткость и прочность корпусам с блоками, которые в съемных корпусах шкафа-прототипа достигались усложнением конструкции и снижением технологичности ее изготовления из-за увеличения толщины теплообменников, введением ребер-фланцев для крепления и жесткости. Кроме того, пазы с ребрами усложненной конфигурации для завальцовывания трубок также являлись элементами создания жесткости конструкции.

По сравнению с прототипом предлагаемый шкаф более удобен и надежен в эксплуатации.

Это обеспечивается тем, что система жидкостного охлаждения полностью размещена на каркасе шкафа. Следовательно, при эксплуатационном обслуживании шкафа, при снятии, например, любого из корпусов с блоками исключается необходимость расстыковки жидкостной системы охлаждения и ее перезаполнения, как это имело бы место при эксплуатационном обслуживании шкафа-прототипа.

В предложенном шкафу также снижается вероятность протечек хладагента из-за исключения необходимости манипулирования со штуцерами соединениями в процессе эксплуатации при съеме корпусов с блоками.

Следует отметить также еще одно важное технико-экономическое преимущество предлагаемого шкафа, а именно оптимальность системы жидкостного охлаждения для аппаратуры со средним уровнем тепловыделения (например, до 6 Вт на одно шагоместо, т.е. на каждый шаг краткости установки блоков), строящейся на современной элементной базе с уменьшенным тепловыделением.

В случае же проектирования подобной аппаратуры на базе шкафа-прототипа, система жидкостного охлаждения которого благодаря теплообменникам большой площади обеспечивает теплосъем порядка 10 Вт с одного шагоместа, имела бы место значительная избыточность, приводящая, как было показано выше, к усложнению конструкции шкафа и снижению технологичности его изготовления.

Таким образом, в предлагаемом шкафу радиоэлектронной аппаратуры обеспечивается повышение технологичности изготовления, надежности и удобства в эксплуатации, что позволяет снизить затраты на производство и эксплуатационное обслуживание радиоэлектронной аппаратуры.

Использование: в радиоэлектронике при конструировании приборных шкафов с жидкостным охлаждением для размещения в них выдвижных радиоэлектронных блоков. Сущность изобретения: шкаф содержит каркас 1, межэтажные опоры 3 на его передней стороне, установленные поэтажно один над другим съемные корпуса 10, образованные полками 11 и 12 и боковыми стенками 13, со встроенными в них выдвижными радиоэлектронными блоками 14, жидкостные теплообменники 4 с каналами для хладагента и основаниями для теплового контактирования. Теплообменники установлены на межэтаэжных опорах 3 и расположением их оснований для теплового контактирования параллельно передней стороне каркаса 1 наружу, а корпуса 10 с блоками 14 закреплены на теплообменниках 4 с возможностью контактирования задних торцов полок корпусов и оснований для теплового контактирования теплообменников. В результате этого повышается технологичность изготовления, а также надежность и удобство в эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Шкаф радиоэлектронной аппаратуры, содержащий несущий каркас, необходимое количество горизонтальных межэтажных опор на его передней стороне, установленные поэтажно один над другим съемные корпуса, образованные полками и боковыми стенками, со встроенными в них выдвижными радиоэлектронными блоками, жидкостные теплообменники с каналами для хладагента и основаниями для теплового контактирования, отличающийся тем, что жидкостные теплообменники установлены на горизонтальных опорах с расположением их оснований для теплового контактирования параллельно передней стороне каркаса наружу, а корпуса с блоками закреплены на теплообменниках с возможностью контактирования задних торцов полок корпусов и оснований для теплового контактирования теплообменников. 2. Шкаф по п.1, отличающийся тем, что полки корпусов с блоками выполнены с нарастанием толщины в сторону теплообменников.