Шафа для радіоелектронної апаратури

1 Шафа для радіоелектронної апаратури, що містить корпус з бічними стінками із порожнинами, полиці для розміщення радіоелектронних блоків та теплові труби з зонами випаровування та конденсації, зони випаровування яких вмонтовані в полиці, а зони конденсації виведені в порожнини бічних стінок шафи, яка відрізняється тим, що в порожнинах бічних стінок виконані парові камери, причому парові камери розміщені в порожнинах бічних стінок уздовж їх висоти 2 Шафа для радіоелектронної апаратури за п 1, яка відрізняється тим, що парові камери виконані у вигляді теплових труб або термосифонів 3 Шафа для радіоелектронної апаратури за п 1, яка відрізняється тим, що на ЗОВНІШНІЙ поверхні корпусу парової камери виконані теплообмінні ребра Шафа для радіоелектронної апаратури відноситься до галузі радіотехніки та радіоелектроніки, зокрема до базових несучих конструкцій для електронної апаратури з блочним, касетним або модульним принципом компоновки, і може бути використана для розміщення і водяного охолодження блочної, касетної та модульної апаратури радіоелектронної та електроннообчислювальної техніки з підвищеним тепловиділенням При конструюванні швидкодіючих електроннообчислювальних машин, генераторних пристроїв радіотехнічних систем тощо, електронні компоненти яких при роботі виділяють значні теплові потоки, для забезпечення нормальних теплових режимів електронних компонентів і заданої надійності їх роботи широко використовуються базові несучі конструкції (шафи, стелажі, стояки тощо) з водяним охолодженням, всередині яких розміщуються блоки або касети з електронними компонентами (див книгу Савельев А Я , Овчинников В А Конструирование ЭВМ и систем - М Высшая школа, 1989 , с 182, рис 6 19) Охолоджувальна вода прокачується по зигзагоподібних каналах всередині полиць таких несучих конструкцій і поглинає теплоту від електронних блоків, що розміщуються між полицями електроенергії на прокачування охолоджувального рідкого теплоносія Відома інша конструкція шафи для радіоелектронної апаратури (див а с СССР №1765915 А1, МПК Н05К7/20, опубл ЗО 09 92р Б И №36), що містить у своєму складі корпус з основою, бічними стінками і полицями для розміщення радіоелектронних блоків, теплові труби, зони випаровування яких вмонтовані всередині полиць, а зони конденсації виведені в порожнині кожухів зі штуцерами для підведення та відведення охолоджувального рідкого теплоносія Кожухи розміщені у порожнинах, що утворені бічними стінками корпуса та бічними кришками Кожна бічна кришка має зверху вхідний штуцер, а знизу - вихідний штуцер ВХІДНІ І ВИХІДНІ щтуцери бічних кришок сполучені послідовно за допомогою гнучких шлангів зі штуцерами кожухів, утворюючи таким чином два наскрізних канали для прокачування рідкого теплоносія Внаслідок значної довжини зигзагоподібних каналів і наявності поворотів каналів у межах кожної полиці відома конструкція стояка має значний гідравлічний опір, що потребує значної витрати Теплота, що виділяється в блоках, поглинається оточуючим повітрям, а від нього за допомогою теплових труб передається рідкому теплоносію, що прокачується по наскрізних каналах Така конструкція шафи деякою мірою забезпечує зниження гідравлічного опору та зменшення витрат електроенергії на прокачування охолоджувального рідкого теплоносія Однако, відома конструкція шафи не дозволяє забезпечити рівномірність температури охолоджувального рідкого теплоносія по мірі руху його по со 00 00 ю 58839 наскрізному каналу від вхідного штуцера до вихідного, оскільки теплота, що поглинається рідким теплоносієм від блоків кожного етажу шафи, підвищує температуру теплоносія Збільшення температури рідкого теплоносія призводить до збільшення температури електронних компонентів блоків, по мірі віддалення етажа шафи від вхідних штуцерів (при умові однакових теплових потоків, що виділяються блоками етажів), що знижує ефективність охолодження та надійність роботи блоків більш віддалених етажів Найбільш близькою до запропонованої за сукупністю ознак і технічному результату є конструкція шафи для охолодження радіоелектронної апаратури, яка вибрана за прототип, (див а с СССР №1050144 А, МПК Н05К7/20, опубл 23 10 83 р БИ №39), що містить у своєму складі корпус з верхнею та нижнею основами, бічні стінки з порожнинами, полиці з теплопровідного матеріалу для розміщення радіоелектронних блоків та передню дверцю Всередині полок виконані порожнини, торці яких герметично закриті стаканами, що виступають у порожнини бічних стінок у шаховому порядку Внутрішні стінки порожнин полиць та стаканів покриті шаром капілярної структури, що насичена рідким теплоносієм Зверху порожнини бічних стінок оснащені вхідними патрубками для підводу рідкого охолоджувального теплоносія (води), а знизу - вихідними патрубками По суті, порожнини полиць сумісно зі стаканами утворюють теплові труби, зони випаровування яких вмонтовані всередині полиць, а зони конденсації виведені в порожнині бічних стінок шафи Радіоелектронні блоки встановлені на етажах шафи між полицями таким чином, що нагрітими частинами блоки контактують до полиць і віддають у процесі роботи їм свою теплоту, яка за допомогою теплових труб передається рідкому охолоджувальному теплоносію, що прокачується по порожнинах бічних стінок шафи, завдяки чому забезпечується охолодження радіоелектронних блоків при незначних гідравлічних опорах і витратах електроенергії на прокачування рідкого теплоносія Основним недоліком прототипа є те, що конструкція шафи не дозволяє забезпечити однакову ефективність охолодження радіоелектронних блоків, що розміщені на різних по висоті етажах шафи Зазначене обумовлено тим, що температура охолоджувального рідкого теплоносія (води) в порожнинах бічних стінок шафи по мірі руху його від вхідного патрубка до вихідного збільшується за рахунок теплоти, що поглинається рідким теплоносієм від блоків кожного етажу шафи Збільшення температури рідкого теплоносія призводить до збільшення температури радіоелектронних блоків і їх електронних компонентів по мірі віддалення етажа шафи від вхідних штуцерів, що знижує ефективність охолодження та надійність роботи блоків більш віддалених від вхідних патрубків Зазначений недолік є особливо суттєвим для радіоелектронних блоків багатоканальних електронно-обчислювальних машин, де нерівномірність температури напівпровідникових електронних компонентів однакових каналів призводить до зниження завадозахищеності апаратури та зниження надійності роботи В основу винаходу поставлено задачу створити таку шафу для радіоелектронної апаратури, яка б шляхом нового виконання корпусних елементів і їх нового взаємного розміщення забезпечила б більш рівномірне охолодження радіоелектронних блоків незалежно від віддалення етажів з блоками, касетами та модулями від вхідних патрубків для подачі охолоджувального теплоносія та тим самим забезпечила б підвищення надійності роботи радіоелектронної апаратури Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в шафі для радіоелектронної апаратури, що містить корпус з бічними стінками з порожнинами, полиці для розміщення радіоелектронних блоків та теплові труби з зонами випаровування та конденсації, зони випаровування яких вмонтовані в полицях, а зони конденсації виведені в порожнині бічних стінок шафи, в порожнинах бічних стінок виконані парові камери, причому парові камери розміщені в порожнинах бічних стінок уздовж їх висоти Парові камери виконані у вигляді теплових труб або термосифонів На ЗОВНІШНІЙ поверхні стінки парової камери виконані теплообмінні ребра Наявність парової камери з однаковою температурою всередині неї призводить до зрівняння температури охолоджувального рідкого теплоносія уздовж порожнини бічної стінки, завдяки чому забезпечується однаково ефективне охолодження радіоелектронних блоків усіх етажів незалежно від віддалення їх від вхідних патрубків шафи, що підвищує надійність роботи радіоелектронної апаратури Конструкція та принцип дії запропонованого пристрою пояснюються кресленнями На фіг 1 показана конструкція шафи для радіоелектронної апаратури, загальний вигляд На фіг 2 у збільшеному масштабі наведено розріз по лінії А-А На фіг 3 у збільшеному масштабі показано розріз по лінії Б-Б , суміщений з загальним виглядом Шафа для радіоелектронної апаратури (фиг 1) містить корпус з верхнею і нижнею основами 1 та 2, ВІДПОВІДНО, та бічні стінки 3 та 4 з порожнинами всередині Зверху бічні стінки оснащені вхідними патрубками 5 для підводу холодного теплоносія, наприклад води, а знизу - вихідними патрубками 6 для відводу нагрітого теплоносія Між бічними стінками 3 та 4 розміщені полиці 7 з теплопровідного матеріалу для розміщення радіоелектронних блоків 8, касет 9 і модулів 10 (див Фіг 1 та фігЗ) Ззаду корпус закрито заднею стінкою 11 (див фіг 2), а спереду - передньою дверцею 12 Шафа обладнана амортизаторами 13 для встановлення на підлогу або іншу основу Для передачі теплоти від блоків, касет і модулів шафа містить теплові труби 14 з зонами випаровування та конденсації 15 та 16, ВІДПОВІДНО, (див фіг 2 та фігЗ) Зони випаровування 15 теплових труб вмонтовані з забезпеченням теплового контакту в полицях 7, а зони конденсації 16 виведені в порожнині бічних стінок 3 та 4 Зони конденсації теплових труб виступають з полиць у порожнини бічних стінок, наприклад у шаховому порядку, і зігнуті під кутом, наприклад 90°, до зон випаровування Внутрішня поверхня корпусу 17 (фіг 2) теплової труби покрита шаром 18 капілярної структу 58839 ри, насиченим рідким теплоносієм, наприклад дистильованою водою або етиловим спиртом Шар капілярної структури може бути виконано у вигляді спіненого металічного войлоку або порошку, капілярних канавок тощо Корпус 17 теплових труб 14 виконано вакуумнощільним з теплопровідного матеріалу У основному варіанті конструктивного виконання пристрою кожна теплова труба має дві зони конденсації, що виведені в порожнини обох бічних стінок шафи В інших варіантах виконання кожна теплова труба (або деякі з них) може мати одну зону конденсації, яка виведена в порожнину лише однієї бічної стінки шафи При цьому зони конденсації одних теплових труб можуть виходити у порожнину однієї бічної стінки, а зони конденсації інших теплових труб - у порожнину другої бічної СТІНКИ В порожнинах бічних стінок 3 та 4 виконані парові камери 19 та 20, причому парові камери розміщені в порожнинах бічних стінок уздовж їхньої висоти Парові камери виконані у вигляді теплових труб або термосифонів і можуть мати довільну геометричну форму Наприклад, парова камера 19 у поперечному розрізі має прямокутну форму, а парова камера 20 - круглу Корпус парових камер виконано вакуумнощільним з теплопровідного матеріалу На ЗОВНІШНІЙ поверхні корпусу 21 паровой камери 19 виконані теплообмінні ребра 22 з теплопровідного матеріалу, а на його внутрішній поверхні - шар 23 капілярної структури, насичений рідким теплоносієм, наприклад дистильованою водою Шар 23 капілярної структури може бути виконано у вигляді спеченого металічного войлоку або порошку, капілярних канавок, металічної сітки тощо Для стабільної роботи парові камери 19 та 20 мають запас рідкого теплоносія, який заповнює нижню їх частину (див фіг 3) На внутрішній поверхні корпусу парової камери 20 виконано шар 24 капілярної структури, а на ЗОВНІШНІЙ - можуть бути виконані ребра 25 (див фіг 2) з теплопровідного матеріалу Радіоелектронні блоки 8, касети 9 та модулі 10 встановлені на етажах шафи між полицями 7 таким чином, що нагрітими частинами вони контактують до полиць і віддають у процесі роботи їм свою теплоту Для ефективної передачі теплоти від електронних елементів 26 до полиць 7 шафи в конструкції касет 9 передбачені теплостоки, наприклад теплові труби або термосифони 27 чи металічні плати або шини 28 (див фіг 3) Блок 8 та модуль 10 можуть бути виконані у вигляді герметичного корпусу, заповненого рідким діелектриком, наприклад фреоном-113, рівень якого повністю покриває електронні елементи, а між рівнем діелектрика і верхнею основою корпусу є паровий простір Верхня основа блока або модуля притиснута до полиці за допомогою, наприклад, клину 29 Для надійного теплового з'єднання касет (а також блоків і модулів) з полицями їх контактуючі поверхні можуть бути виконані ребристими або гребінчастими, а в зоні контакту може бути використане теплопровідне мастило, наприклад паста КПТ-8 Пристрій працює слідуючим чином За допомогою вхідних патрубків 5 та вихідних патрубків 6 шафа підключається до водяної магістралі зовнішньої системи охолодження 3 водяної магістралі у порожнини бічних стінок 3 та 4 шафи (на фіг 2 та 3 для прикладу показана права бічна стінка 4) через вхідний патрубок 5 подається охолоджувальна вода з постійною вхідною температурою На фігурах 1 та 3 потік води показано стрілками До включення радіоелектронних блоків, касет та модулів в стаціонарному режимі температура води на вході в порожнини, всередині них та на виході з порожнин однакова Температура корпусу парових камер 19 та 20 і температура насиченої пари теплоносія всередині парових камер також дорівнює температурі охолоджувальної води Після включення радіоелектронної апаратури теплота, що виділяється електронними елементами всередині радіоелектронних блоків 8, касет 9 та модулів 10, за допомогою теплостоків (теплових труб або термосифонів 27, металічних плат або шин 28), шляхом замкненого випаровувальноконденсаційного циклу діелектричного теплоносія (як, наприклад, в модулях 10) а також конвекцією повітря всередині касет передається до верхньої основи блоків, касет та модулів, від неї через зону теплового контакту до теплопровідних полиць 7 та до вмонтованих у них зон випаровування 15 теплових труб 14 Під ВПЛИВОМ теплоти рідкий теплоносій в шарі 18 капілярної структури всередині кожної теплової труби починає випаровуватися та кипіти, поглинаючи підведену теплоту Температура насиченої пари та тиск у зоні випаровування підвищуються і пара рухається до зон конденсації 16 теплової труби, де пара конденсується і віддає зонам конденсації заховану теплоту пароутворення Далі теплота за рахунок теплопередачі теплопровідністю корпуса теплової труби передається ЗОВНІШНІЙ поверхні зон конденсації, а від неї охолоджувальній воді, що прокачується по порожнинах бічних стінок Конденсат під дією капілярних сил перекачується по шару 18 капілярної структури до зони випаровування 15 Цикл кипінняконденсацм та передачі теплоти тепловою трубою повторюється Передана за допомогою теплових труб від першої відносно вхідних патрубків полиці шафи теплота поглинається охолоджувальною водою, що прокачується по порожнинах бічних стінок 3 та 4 шафи, і нагріває м, підвищуючи температуру води в порожнинах стінок Як би в порожнинах стінок були відсутні парові камери, то по мірі руху потоку води в порожнинах бічних стінок вода повинна була б постійно все більше підігріватися за рахунок поглинання теплоти від чергових полиць, спричиняючи нерівномірність охолодження радіоелектронної апаратури різних етажів Однако, наявність в конструкції шафи парових камер 19 та 20 призводить до того, що при першому ж виникненні різниці температури води в порожнині бічної стінки одночасно виникає нерівномірність нагріву водою корпусу парових камер 19 та 20 Частина корпусу парової камери, що контактує з більш нагрітою водою, має більшу температуру Завдяки підведеній теплоті на більш нагрітій частині парової камери всередині неї починається випаровування та кипіння теплоносія в капілярній структурі При цьому поглинається захована теплота паро 58839 утворювання Тиск пари в зоні випаровування парової камери підвищується і потік пари рухається до всіх більш холодних и зон, де пара конденсується і віддає заховану теплоту пароутворення корпусу Виділена теплота передається через теплопровідні корпус та ребра парової камери до омиваючих потоків води з меншою температурою і підігріває їх, а частина корпуса парової камери, що була більш нагріта, та більш нагріта вода, що з нею контактує, при цьому охолоджуються Чим більша виникає нерівномірність температури води в порожнині стінки, тим швидше і інтенсивніше йде перерозподіл теплових потоків та вирівнювання температури корпусу та ребер парової камери і вирівнювання температури води по об'єму порожнини в бічній СТІНЦІ незалежно від місця знаходження її по висоті шафи Ураховуючи, що порожнини обох бічних стінок термічно сполучені між собою за допомогою теплових труб полиць, то завдяки високій теплопередаючій здатності теплових труб температура води в обох стінках шафи також вирівнюється між собою Таким чином, в робочому стаціонарному режимі температура води, що омиває зони конденсації всіх теплових труб, стає однаковою, що забезпечує однакові умови охолодження усіх блоків, касет та модулів, що розміщені у шафі Запропонована конструкція шафи для радіоелектронної апаратури, у порівнянні з прототипом, забезпечує більш рівномірне охолодження радіоелектронних блоків, касет та модулів незалежно 8 від місця розташування їх по висоті шафи Застосування такої конструкції шафи для розміщення і охолодження великої КІЛЬКОСТІ однотипних блоків, касет або модулів електронно-обчислювальної техніки забезпечує рівномірність температурного поля її активних напівпровідникових елементів та інтегральних схем незалежно від місця розміщення їх на полицях по висоті шафи, що підвищує завадозахищеністьта надійність роботи апаратури Використання шарів капілярної структури для повернення теплоносія із зони конденсації до зони випаровування в теплових трубах та в парових камерах забезпечує роботоздатність пристрою при нахилах та колиханні в умовах експлуатації В інших варіантах виконання заявлений пристрій з суттєвими ознаками ВІДПОВІДНО ДО формули винаходу може мати конструктивне оформлення у вигляді багатоетажного стелажу, стояка або іншої несучої конструкції Промислова придатність заявленого пристрою підтверджується використанням для його виготовлення відомих технологічних процесів, зокрема збирання, механічної обробки (різання, точіння, фрезерування), аргоно-дугового зварювання Технологи виготовлення теплових труб і парових камер принципово не відрізняється між собою і освоєні промисловістю Таким чином, запропонована конструкція шафи для радіоелектронної апаратури є новою, промислово придатною, має винахідницький рівень, що дає підстави вважати и винаходом ІГ.1 10 58839 л і 7 ' d l . Y '. \ Ч • ^Г 11 Комп'ютерна верстка М Мацело 58839 12 Підписано до друку 05 09 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна