ШКАФ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2001 года по МПК H05K7/20 G12B15/02 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании приборных шкафов и стоек, в которые встраиваются съемные модули с кондуктивным теплоотводом.

Из а. с. СССР N 738205, кл. H 05 K 7/20, известно устройство для крепления радиоэлектронных блоков в системах охлаждения, содержащее оребренное изнутри охлаждаемое основание и опорную панель, между которыми размещены съемные блоки с возможностью теплового контактирования с нижним охлаждаемым основанием. С последнего тепло снимается проходящим внутри теплоносителем, например воздухом.

Однако это устройство имеет лишь одно (нижнее) охлаждаемое основание, к которому блок прижимается своей нижней плоскостью. Отсутствие второго (верхнего) охлаждаемого основания, во-первых, снижает эффективность охлаждения, а во-вторых, приводит к неравномерному охлаждению блоков. Это связано с тем, что тепловое сопротивление между охлаждаемым основанием и электрорадиоизделиями (ЭРИ) будет меньшим для ЭРИ, расположенных в нижней части блока, и большим для ЭРИ в верхней части. В результате этого перегрев последних будет выше, а надежность функционирования блока снизится.

Кроме того, дополнительный перегрев будет иметь место у блоков, расположенных ближе к выходу воздуха из охлаждаемого основания, так как воздух при движении в полости охлаждаемого основания постепенно нагревается. Это также приводит к дополнительному снижению надежности аппаратуры.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по своей сути является решение, известное из а.с. СССР N 1637045, кл. H 05 K 7/20 по радиэлектронному блоку с комбинированным кондуктивно-воздушным охлаждением. Блок содержит несущий корпус с полым верхним и нижним теплообменниками с внутренним оребрением, съемные модули с возможностью теплового контактирования каждого из них с верхним и нижним теплообменниками. В теплообменниках и установочных плоскостях модулей выполнены соосные отверстия для прохождения газообразного теплоносителя, например воздуха.

Одним из недостатков известного решения является неравномерность охлаждения модулей, размещаемых в блоке. Для прохождения воздуха в отверстия из одного теплообменника в другой с попутным обдувом модулей необходимо наличие разности давлений воздуха между теплообменниками. Возможные схемы продува, не приведенные в упомянутом а.с., и диаграммы распределения воздуха в каналах теплообменников вдоль блока приведены на фиг. 6 и 7. Из диаграмм распределения воздуха вдоль блока видно, что в первом случае распределение воздуха по теплообменникам симметричное. При этом в верхнем и нижнем теплообменниках наибольшее количество воздуха проходит через оребрение левой части, а меньшее - через оребрение правой. Из-за этого кондуктивная составляющая теплоотвода в левой части блока будет больше, а в правой меньше. Во втором случае распределение воздуха по длине теплообменников будет ассиметричным. В этом случае кондуктивная составляющая теплоотвода для каждого из модулей будет также ассиметричной за исключением быть может какого-то из средних модулей. Например, у модулей, расположенных слева, будет иметь место в основном кондуктивная передача тепла на верхний теплообменник, а у модулей справа - на нижний.

Дополнительную неравномерность охлаждения блоков вносит постепенный нагрев воздуха при его движении вдоль ребер.

Неравномерное охлаждение модулей приводит к неравномерному перегреву ЭРИ над окружающей средой, а следовательно, к снижению надежности радиоэлектронного блока.

Другим недостатком рассматриваемого известного решения является то, что модули с кондуктивным теплоотводом весьма часто имеют плотную компоновку и содержат ЭРИ или конструктивные элементы, препятствующие прохождению воздуха внутри них. На практике модули, как правило, разрабатываются под конкретные виды охлаждения: кондуктивное, воздушное и др. Поэтому модули с кондуктивным теплоотводом во многих случаях нельзя использовать в шкафах с воздушным охлаждением с продувом их воздухом. К недостаткам известной конструкции можно также отнести и то, что через съемные модули проходит воздух, который может даже при условии фильтрации нести мелкие частицы пыли и других загрязнений окружающей среды. Это может привести к отказу любого из модулей при попадании загрязнений на их токоведущие части и снизить надежность блока в целом.

Кроме того, известный блок представляет собой одноэтажную конструкцию, в то время как наиболее широкое применение имеют многоэтажные, являющиеся более рациональными в технико-экономическом отношении и обеспечивающие более высокую плотность компоновки при размещении радиоэлектронной аппаратуры по сравнению с одноэтажными.

Цель изобретения - повышение надежности и плотности компоновки.

Цель достигается за счет того, что в шкафу радиоэлектронной аппаратуры, содержащем несущий корпус, образованный полыми верхним и нижним теплообменниками с внутренним продольным оребрением и полыми боковыми стенками с выполненными на их внутренних сторонах на уровне полостей теплообменников отверстиями для прохода воздуха, размещенные между теплообменниками съемные модули с возможностью тепловой связи каждого из них с расположенными над ним и под ним теплообменниками, патрубки с вентиляторами, прикрепленные к верхним торцам боковых стенок, в верхнем и нижнем теплообменниках, боковых стенках изнутри выполнены продольные перегородки, разделяющие их полости на соответствующие друг другу каналы, количество которых равно 2ⁿ, где n - целое положительное число, имеющее смысл, а патрубки с вентиляторами в количестве, равном числу каналов, размещены в шахматном порядке. Кроме того, в шкафу между верхним и нижним теплообменниками размещено необходимое количество межэтажных перекрытий, выполненных в виде полых теплообменников с внутренним продольным двухсторонним оребрением, в которые введены продольные перегородки, разделяющие их полости на каналы, соответствующие каналам боковых стенок и верхнего, и нижнего теплообменников.

Сопоставительный анализ показывает, что предложенное устройство отличается от известных тем, что в боковых стенках, верхнем и нижнем теплообменниках изнутри выполнены перегородки, разделяющие их полости на соответствующие друг другу каналы, количество которых равно 2ⁿ, где n - целое положительное число, имеющее смысл, а патрубки с вентиляторами в количестве, равном числу каналов, размещены в шахматном порядке. Кроме того, в шкафу между верхним и нижним теплообменниками размещены межэтажные перекрытия, выполненные в виде полых теплообменников с внутренним продольным двухсторонним оребрением, в которых изнутри введены продольные перегородки, разделяющие их полости на каналы, соответствующие каналам боковых стенок и верхнего, и нижнего теплообменников.

Надежность устройства повышена, так как в смежных каналах любого из теплообменников воздух движется в относительно равных количествах и в противоположных направлениях, благодаря чему происходит выравнивание температурного поля всех теплообменников и улучшаются условия охлаждения модулей.

Плотность компоновки повышена за счет возможности выполнения шкафа многоэтажным.

Таким образом, предложенное устройство отвечает критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники позволяет сделать вывод о том, что оно соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен шкаф радиэлектронной аппаратуры, общий вид, аксонометрия; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 4.

(Шкаф радиоэлектронной аппаратуры может быть как одноэтажным, так и содержащим несколько этажей. В материалах заявки изображена и описана конструкция многоэтажного шкафа, как представляющего наиболее общий случай).

Шкаф содержит несущий корпус 1, переднюю и заднюю крышки (не обозначены). Корпус 1 образован верхним 2 и нижним 3 теплообменниками, состоящими соответственно из оребренных теплообменных оснований - верхнего 4 и нижнего 5 и закрывающих их щитков 6 и 7, а также из полых боковых стенок - левой 8 и правой 9. Между теплообменниками 2 и 3 размещены многоэтажные полые перекрытия, также являющиеся теплообменниками 10. Каждый из теплообмеников 10 состоит из скрепленных между собой теплообменных оснований - верхнего 11 и нижнего 12. Все теплообменники выполнены из теплопроводного материала, например из сплавов алюминия. Теплообменника 2, 3, 10 и боковые стенки 8 и 9 изнутри снабжены продольными перегородками 13 и 14 соответственно, которые разделяют их полости на соответствующие друг другу каналы 15 в передней половине корпуса и каналы 16 в задней. Количество каналов может быть и большим, например 4 или 8. На внутренних плоскостях боковых стенок 8 и 9 на уровне каналов 15 и 16 теплообменников 2, 3 выполнены круглые отверстия, количество которых на уровне теплообменников 10 удвоено. Суммарная площадь отверстий для теплообменников 10 должна быть примерно вдвое больше суммарной площади отверстий для 10 должна быть примерно вдвое больше суммарной площади отверстий для теплообменников 2 или 3 для того, чтобы расход воздуха в каждом из теплообменников 10 был в 2 раза больше, чем через теплообменники 2 и 3. Точные площади отверстий на каждом из этажей определяются тепло-гидравлическим расчетом шкафа радиоэлектронной аппаратуры.

На верхних торцах боковых стенок 8 и 9 в шахматном порядке установлены патрубки 17 с вентиляторами 18. Патрубки 17 снабжены смежными стенками 19 для фильтрации воздуха в целях снижения уровня запыления оребренных поверхностей и защитными кожухами 20. Открытые каналы боковых стенок 8 и 9 сверху закрываются заглушками 21. Снизу такими же заглушками 21 закрываются на левой 8 боковой стенке канал 15, а на правой 9 - канал 16.

На каждом из этажей несущего корпуса 1 между теплообменниками установлены съемные модули 22 с кондуктивным теплоотводом. Для этого каждый модуль 22 содержит несущую рамку 23, один или два теплостока 24. Рамки 23 и теплостоки 24 выполнены из теплопроводного материала, например из сплавов алюминия. На теплостоки 24 наклеены тонкие печатные платы 25 со смонтированными на них ЭРИ 26, которые устанавливаются на печатные платы через тонкие электроизоляционные прокладки 27. Некоторые ЭРИ с большим тепловыделением, например мощные полупроводниковые диоды или транзисторы и др. (не показаны), могут ставиться непосредственно на теплосток через тонкие прокладки или электроизоляционные покрытия.

На верхних плоскостях каждый из рамок 23 установлен теплосъемник 28, состоящий из соединенных с минимальным (около 0,05 мм) зазором верхней 29 и нижней 30 частей. Верхняя 29 часть теплосъемника 28 подпружинена пружинами 31 для обеспечения постоянного прижима к верхнему теплообменнику. Это позволяет компенсировать ошибки изготовления корпуса 1 в части высоты межэтажных просветов и рамок модулей 22.

Шкаф радиоэлектронной аппаратуры работает следующим образом.

При включении аппаратуры вентилятором 18 в патрубках 17 начинают гнать охлажденный воздух в каналы 15 и 16 боковых стенок 8 и 9. Через отверстия в боковых стенках 8 и 9 воздух поступает во все теплообменники 2, 3, 10 и проходит по их каналам 15 и 16, соприкасаясь с их внутренним оребрением, на которое передается тепло от модулей 22. Подогретый в результате соприкосновения с ребрами теплообменников 2, 3, 10 воздух проходит через круглые отверстия в противолежащих стенках 9 и 8 и по своим же каналам 15 и 16 выходит в нижней части стенок 8 и 9.

Передача тепла от нагретых ЭРИ модулей 22 осуществляется следующим образом: в нижних половинах модулей 22 - с корпусов ЭРИ 25 через прокладки 26, печатные платы 24, теплостоки 23, нижние полки рам 22 на нижние теплообменники 3 или 10, а через их оребрение передается охлаждающему воздуху. В верхних половинах модулей 21 тепло внутри них передается аналогично, но с верхних плоскостей рамок 23 на верхние теплообменники 2 или 10 - через теплосъемники 28. При прохождении охлажденного воздуха вдоль ребер любого из теплообменников 2, 3, 10 он постепенно нагревается и его температура на выходе из теплообменников 2, 3, 10 оказывается несколько выше, чем на его входе. Однако за счет того, что теплообменники 2, 3, 10, боковые стенки 8 и 9 разделены перегородками 13 и 14 на смежные каналы 15 и 16, а патрубки 17 с вентиляторами 18 установлены в шахматном порядке в смежных каналах 15 и 16 теплообменников, обеспечивается движение воздуха в противоположных направлениях. Благодаря этому любые из частей каждого теплообменника 2, 3, 10 находятся практически в одинаковых температурных условиях, так как, например, через их левые части проходит как охлажденный воздух (канал 15), так и подогретый (канал 16). В правой части теплообменников нагретый воздух будет в канале 15, а охлажденный - в канале 16. В средних частях теплообменников 2, 3, 10 проходит среднеподогретый воздух. Учитывая, что теплообменники выполнены из теплопроводного материала, будет иметь место тенденция к выравниванию температур по всей площади теплообменников. При этом для увеличения степени выравнивания температурного поля теплообменников 2, 3, 10 можно увеличить количество каналов 15 и 16, например, до четырех. Максимальное количество каналов определяется возможностью установки патрубков 17 с вентиляторами 18 на верхних торцах боковых стенок 8 и 9. Исходя из реальных размеров шкафов радиэлектронной аппаратуры, можно встроить 2 или 4 патрубка 17 с вентиляторами 18.

Вследствие того, что вдоль оребрения всех теплообменников проходят одинаковые количества охлажденного воздуха и в противоположных направлениях, то любая пара смежных (верхнего и нижнего) теплообменников будет иметь практически одинаковую температуру их поверхностей теплообмена с модулями. Поэтому находящиеся между ними съемные модули 22 в пределах каждого из этажей шкафа будут находиться в одинаковых условиях по охлаждению.

Эксплуатационное обслуживание шкафа радиоэлектронной аппаратуры в части системы охлаждения заключается в периодической чистке или замене фильтров 19 в патрубках 17.

Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает повышение надежности шкафа радиоэлектронной аппаратуры.

Это достигается разделением полостей всех теплообменников и боковых стенок на соответствующие друг другу каналы, количество которых для практических целей может быть равно двум или четырем, а также установкой патрубков с вентиляторами в шахматном порядке. Благодаря этому в смежных каналах обеспечивается движение воздуха в противоположных направлениях, и при условии прохождения одинаковых количеств воздуха вдоль оребрений теплообменников происходит выравнивание температурного поля их поверхностей теплообмена с модулем во всех направлениях. Это исключает неравномерный отвод тепла от модулей как внутри их, так и между ними, исключает возможные перегревы ЭРИ, а следовательно, повышает надежность аппаратуры.

Надежность предлагаемого шкафа повышена также и тем, что охлаждающий воздух не проходит сквозь модули и, следовательно, не подвергает их токоведущие участки воздействию частиц пыли и др. загрязнений.

Выполнение шкафа многоэтажным позволяет повысить плотность компоновки аппаратуры за счет уменьшения габаритных размеров по высоте. Это объясняется тем, что патрубки с вентиляторами в многоэтажном шкафу устанавливаются только в верхней его части, независимо от количества этажей. При проектировании аппаратуры на основе одноэтажных шкафов количество патрубков возрастает во столько раз, во сколько увеличивается количество этих шкафов. При этом следует заметить, что для многоэтажных шкафов, безусловно, потребуются более мощные, а следовательно, имеющие большие размеры, патрубки с вентиляторами. Однако мощность вентиляторов, их производительность, полное давление связаны нелинейной зависимостью с размерами, а именно, при увеличении указанных параметров размеры возрастают в значительно меньшей степени (см., например, Технические условия ЕИЛВ. 630250. 001ТУ. Электровентиляторы осевые постоянного тока). В связи с этим в многоэтажных шкафах удельные затраты объемов на патрубки с вентиляторами в расчете на один этаж будут значительно меньше, чем в одноэтажных, а следовательно, многоэтажные шкафы обеспечат более высокую плотность компоновки.

Кроме того, многоэтажные шкафы по сравнению с одноэтажными обеспечивают снижение удельных (на один этаж) затрат на изготовление и эксплуатационное обслуживание аппаратуры.

Использование: в приборных шкафах радиоэлектронной аппаратуры. Технический результат заключается в повышении надежности и плотности компоновки. Шкаф содержит несущий корпус, образованный полыми верхним и нижним теплообменниками с внутренним продольным оребрением и полыми боковыми стенками. В теплообменниках и боковых стенках изнутри выполнены продольные перегородки, которые разделяют их полости на соответствующие друг другу каналы. Патрубки с вентиляторами, количество которых равно числу каналов, установлены на верхних торцах боковых стенок в шахматном порядке. Благодаря этому в смежных каналах теплообменников обеспечивается движение воздуха в противоположных направлениях, а также происходит выравнивание их температурного поля, что улучшает условия отвода тепла от модулей. При выполнении шкафа многоэтажным повышается плотность компоновки аппаратуры. Для этого вводятся полые межэтажные перекрытия-теплообменники с внутренним продольным двусторонним оребрением и перегородками, разделяющими их полости на соответствующие каналы. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Шкаф радиоэлектронной аппаратуры, содержащий несущий корпус, образованный полыми верхним и нижним теплообменниками с внутренним продольным оребрением и полыми боковыми стенками с выполненными на их внутренних сторонах на уровне полостей теплообменников отверстиями для прохода воздуха, размещенные между теплообменниками съемные модули с возможностью тепловой связи каждого из них с расположенным над ним и под ним теплообменником, патрубки с вентиляторами, прикрепленные к верхним торцам боковых стенок, отличающийся тем, что в верхнем и нижнем теплообменниках и боковых стенках изнутри выполнены продольные перегородки, разделяющие их полость на соответствующие друг другу каналы, количество которых равно 2ⁿ, где n - целое положительное число, а патрубки с вентиляторами в количестве, равном числу каналов, размещены в шахматном порядке. 2. Шкаф по п.1, отличающийся тем, что между верхним и нижним теплообменниками размещены межэтажные перекрытия, выполненные в виде полых теплообменников с внутренним двусторонним продольным оребрением, в которые изнутри введены продольные перегородки, разделяющие их полости на каналы, соответствующие каналам боковых стенок и верхнего и нижнего теплообменников.