ЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И СПОСОБЫ ИХ ЗАМЕНЫ
ELECTRONIC MODULES WITH LIQUID COOLING AND METHODS OF THEIR REPLACEMENT

ПРЕДПОСЫЛКИ
[1] Настоящее изобретение относится в целом к электронному устройству, содержащему электронные модули с жидкостным охлаждением, и способам для быстрого удаления и/или замены электронных модулей.
[2] Нормальные операции электронных устройств иногда прерываются из-за состояний неисправности. Когда это происходит, желательно минимизировать время, необходимое для восстановления электронного устройства и возврата его в рабочее состояние. По этой причине электронные устройства часто конструируются с одним или несколькими электронными модулями, которые могут быть быстро удалены и заменены, если это необходимо.
[3] В одном примере электронное устройство, например источник питания, может иметь все электронные компоненты, объединенные в единый модуль, который может быть быстро удален и заменен без нарушения корпуса, входящих соединений питания, размыкателя цепи, исходящих соединений питания или комбинации вышеуказанного. В другом примере источник питания может включать в себя несколько модулей, соединенных параллельно, чтобы увеличить выходной ток источника питания. Если один модуль выходит из строя, он может быть быстро и удобно заменен без нарушения других модулей или любого из других компонентов источника питания. В еще одном примере источник питания может включать в себя несколько модулей, соединенных последовательно, чтобы увеличить выходное напряжение источника питания. Если один модуль выходит из строя, он может быть быстро и удобно заменить без нарушения других модулей или любого из других компонентов источника питания.
[4] В общем электронные модули могут быть с воздушным охлаждением или жидкостным охлаждением. В электронных устройствах с жидкостным охлаждением (см., например, US 2004/0057211) электронные модули включают в себя одно или несколько гидравлических соединений, где отбирающие тепло флюиды текут в электронный модуль и из него под давлением. Быстрая замена электронных модулей с воздушным охлаждением может быть достигнута путем обеспечения штекерных разъемов на электронном модуле для электрических соединений. Электронные модули с жидкостным охлаждением также могут использовать штекерные разъемы, но замена становится более трудной из-за гидравлических охлаждающих соединений.
[5] Таким образом, существует потребность в создании электронного модуля с жидкостным охлаждением для электронного устройства, которое может быть заменено без нарушения гидравлических охлаждающих соединений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[6] В соответствии с одним из вариантов осуществления электронное устройство с жидкостным охлаждением включает в себя отсек, выполненный с возможностью вмещения в нем электронного модуля. Отсек содержит стационарную охлаждающую плату, расположенную на внутренней части отсека, стационарная охлаждающая плата содержит систему жидкостного охлаждения, сконфигурированную для отвода тепла от стационарной охлаждающей платы, и множество электрических соединителей, сконфигурированных для соединения с электронным модулем. Электронный модуль включает в себя подвижную охлаждающую плату, выполненную с возможностью тесной связи со стационарной охлаждающей платой, когда множество электрических соединителей соединены с модулем электронного устройства. Тепло, генерируемое электронным модулем, удаляется путем протекания в подвижную охлаждающую плату, затем в стационарную охлаждающую плату и затем в охлаждающую жидкость.
[7] В соответствии с другим вариантом осуществления способ замены первого электронного модуля, расположенного в отсеке электронного устройства с жидкостным охлаждением, включает в себя перемещение первого электронного модуля, чтобы электрически отсоединять первый электронный модуль от множества электрических соединителей, а также отделение подвижной охлаждающей платы первого электронного модуля от стационарной охлаждающей пласты, прикрепленной к отсеку. Способ дополнительно включает в себя удаление первого электронного модуля из отсека. Способ дополнительно включает в себя вставку второго электронного модуля в отсек и перемещение второго модуля электронного устройства для электрического соединения второго электронного модуля с множеством электрических соединителей, а также приведение подвижной охлаждающей платы второго электронного устройства в тесный контакт со стационарной охлаждающей платой.
[8] Дополнительные признаки и преимущества реализованы посредством методов настоящего изобретения. Другие варианты осуществления и аспекты изобретения описаны здесь подробно и считаются частью заявленного изобретения. Для лучшего понимания изобретения, его преимуществ и признаков можно сослаться на описание и чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ НА ЧЕРТЕЖАХ
[9] Предмет, который рассматривается в качестве изобретения, конкретно определен и четко заявлен в формуле изобретения в заключение настоящей спецификации. Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания во взаимосвязи с приложенными чертежами, на которых:
[10] Фиг. 1 иллюстрирует схематичное представление источника питания, имеющего один модуль в соответствии с предшествующим уровнем техники.
[11] Фиг. 2 иллюстрирует схематичное представление источника питания, имеющего множество последовательно соединенных электронных модулей в соответствии с предшествующим уровнем техники.
[12] Фиг. 3 иллюстрирует схематичное представление источника питания, имеющего множество параллельно соединенных электронных модулей в соответствии с предшествующим уровнем техники.
[13] Фиг. 4 иллюстрирует виды сверху, сбоку и сзади электронного модуля, сконфигурированного с штыревыми электрическими соединителями в соответствии с предшествующим уровнем техники.
[14] Фиг. 5А иллюстрирует вид сзади электронного модуля с жидкостным охлаждением в соответствии с примерным вариантом осуществления.
[15] Фиг. 5B иллюстрирует вид сбоку электронного модуля с жидкостным охлаждением в соответствии с примерным вариантом осуществления.
[16] Фиг. 6A иллюстрирует вид сбоку электронного модуля с жидкостным охлаждением и устройство охлаждения в соединенном режиме в соответствии с примерным вариантом осуществления.
[17] Фиг. 6B иллюстрирует вид сбоку электронного модуля с жидкостным охлаждением и устройство охлаждения в отсоединенном режиме в соответствии с примерным вариантом осуществления.
[18] Фиг. 7A иллюстрирует вид в поперечном сечении электронного модуля с жидкостным охлаждением и устройства охлаждения по фиг. 6А в соответствии с примерным вариантом осуществления.
[19] Фиг. 7B иллюстрирует вид в поперечном сечении электронного модуля с жидкостным охлаждением и устройства охлаждения по фиг. 6В в соответствии с примерным вариантом осуществления.
[20] Фиг. 8 представляет собой блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую способ замены электронного модуля электронного устройства с жидкостным охлаждением в соответствии с примерным вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[21] Предложен электронный модуль с жидкостным охлаждением для электронного устройства, который может быть заменен без нарушения гидравлических охлаждающих соединений. В примерных вариантах осуществления механизм жидкостного охлаждения для электронного модуля разделяется на две платы, одну подвижную охлаждающую плату и одну стационарную охлаждающую плату. В примерных вариантах осуществления стационарная охлаждающая плата расположена в корпусе, где находится электронный модуль в процессе работы, а не в электронном модуле. Все гидравлические охлаждающие соединения выполнены к стационарной плате. В примерных вариантах осуществления подвижная охлаждающая плата расположена на внешней поверхности электронного модуля и размещена таким образом, что подвижная охлаждающая плата создает тепловой контакт со стационарной платой, когда электронный модуль находится в полностью соединенном положении. При отделении стационарной платы с жидкостным охлаждением от электронного модуля, электронный модуль может быть заменен без отсоединения труб, шлангов и т.д., которые являются частью системы жидкостного охлаждения. В примерных вариантах осуществления две охлаждающие платы могут иметь пазы и ребра, которые увеличивают площадь поверхности контакта и могут быть покрыты теплопроводной смазкой, чтобы улучшить теплообмен между ними. Стационарная плата механизма охлаждения сконфигурирована, чтобы тесно сопрягаться с подвижной платой механизма охлаждения, расположенного на электронном модуле, для эффективного удаления тепла, генерируемого в электронном модуле.
[22] Фиг. 1 иллюстрирует пример известного источника 100 питания, имеющего один модуль 101. Входной источник 102 питания трехфазного переменного тока (АС) соединен с модулем 101 источника 100 питания. Источник 100 питания может обеспечить напряжение переменной частоты и может быть соединен с нагрузкой 103, например, двигателем трехфазного переменного тока.
[23] Фиг. 2 иллюстрирует пример известного источника 200 питания, имеющего последовательно соединенные электронные модули 212. Источник 200 питания может обеспечить напряжение переменной частоты и может быть связан с нагрузкой 204, такой как трехфазный АС двигатель. Источник 200 питания включает в себя трансформатор 206, имеющий первичную обмотку 208 и множество вторичных обмоток 210. Источник 200 питания также включает в себя множество идентичных модулей 212, и каждая вторичная обмотка 210 может питать соответствующий модуль 212. Каждый из электронных модулей 212 может включать в себя входной AC-DC-выпрямитель, сглаживающий фильтр и однофазный выходной DC-AC-преобразователь, использующий широтно-импульсную модуляцию (PWM). Электронные модули 212 сконфигурированы в три группы, причем выходы каждого электронного модуля 212 в каждой группе соединены последовательно, чтобы генерировать напряжение для одной фазы выходной мощности на нагрузку 204. Источник 200 питания включает в себя двенадцать модулей, сконфигурированных в три группы из четырех соединенных последовательно модулей каждая. Пример источника 200 питания и схем для электронных модулей 212 описан в патенте США № 5625545, который включен в настоящий документ посредством ссылки.
[24] Фиг. 3 иллюстрирует пример известного источника 300 питания, имеющего параллельно соединенные электронные модули 312. Источник 300 питания включает в себя трансформатор 306, который включает в себя первичную обмотку 308 и множество вторичных обмоток 310. Каждая вторичная обмотка 310 может питать соответствующий электронный модуль 312. Источник 300 питания имеет множество идентичных модулей 312, соединенных параллельно. Электронные модули 312 могут включать в себя входной АС-DC-выпрямитель, сглаживающий фильтр и выходной DC-DC-преобразователь, использующий широтно-импульсную модуляцию (PWM). Отрицательные выходные выводы всех электронных модулей 312 подсоединены параллельно к отрицательному выводу нагрузки 304, которая может быть сопротивлением. Положительные выходные выводы всех электронных модулей 312 подсоединены через индукторы 314 параллельно к положительному выводу нагрузки 304. Пример источника 300 питания и схем для электронных модулей 312 описан в патенте США № 5638263, который включен в настоящий документ посредством ссылки.
[25] В источниках питания согласно фиг. 1, 2 и 3 желательно иметь возможность быстро удалять и заменять неисправный электронный модуль. Фиг. 4 показывает три вида типового известного электронного модуля 401, сконфигурированного для обеспечения быстрой замены. Электронные модули 401 могут иметь множество электрических соединителей 402, расположенных на задней поверхности 404. Электрические соединители 402 могут содержать как входные, так и выходные соединения питания. Электрические соединители 402 могут быть штыревыми соединителями (разъемами) и могут соединяться без ручных инструментов и могут представлять собой, например, металлические ножевые соединители, как показано, спроектированные в соответствии с величиной тока, который они должны проводить. Электрические соединители 402 могут иметь другие конфигурации соединителей, не требующие ручных инструментов для соединения, такие как, например, конфигурация штепсельного разъема и/или любая другая подходящая конфигурация штекерного типа. Электрические соединители 402 могут быть разъемом охватываемого или охватывающего типа и могут быть выполнены из любого подходящего электропроводного материала. Электрические соединители для управляющих сигналов (не показаны) в некоторых вариантах осуществления также могут быть расположены на задней поверхности 404 и также могут соединяться без ручных инструментов.
[26] На фиг. 5А показан вид сзади и на фиг. 5B - вид сбоку примерного варианта осуществления электронного модуля 501 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. В примерных вариантах осуществления задняя поверхность модуля 520 имеет множество электрических соединителей 511, но другие поверхности также могут быть использованы. В примерных вариантах нижняя поверхность электронного модуля 501 имеет подвижную охлаждающую плату 502, но и другие поверхности электронного модуля 501 могут также включать в себя подвижную охлаждающую плату. В примерных вариантах осуществления нижняя поверхность электронного модуля 501 может включать в себя одно или несколько отверстий, так что различные генерирующие тепло компоненты 508, 509 и 510, которые требуют охлаждения, могут быть смонтированы непосредственно на верхней поверхности подвижной охлаждающей платы 502. Генерирующие тепло компоненты 508, 509 и 510 могут быть распределены таким образом, чтобы поддерживать тепловой поток на единицу площади подвижной охлаждающей платы 502 как можно более равномерным. В примерных вариантах осуществления теплопроводный элемент может быть расположен на или внутри подвижной охлаждающей платы 502, чтобы способствовать распространению тепла, генерируемого электрическими компонентами первого модуля электронного устройства, по подвижной охлаждающей плате 502. Например, тепловые трубки могут быть добавлены к подвижной охлаждающей плате 502, чтобы способствовать распределению тепла, выделяемого генерирующими тепло компонентами 508, 509 и 510, по подвижной охлаждающей плате 502. В другом примере теплопроводный элемент может быть расположен наверху подвижной охлаждающей платы 502, чтобы способствовать распределению тепла, выделяемого генерирующими тепло компонентами 508, 509 и 510, по подвижной охлаждающей плате 502.
[27] В примерных вариантах осуществления нижняя поверхность подвижной охлаждающей платы 502 может иметь множество пазов и ребер, которые сконфигурированы для увеличения площади поверхности охлаждающей платы 502, которая находится в контакте со стационарной платой 503. В одном варианте осуществления нижняя поверхность подвижной охлаждающей платы 502 также может быть покрыта теплопроводной смазкой, такой как Wakefield Type 120, для дополнительного улучшения теплопередачи между подвижной охлаждающей платой 502 и стационарной охлаждающей платой 503.
[28] В примерных вариантах осуществления стационарная охлаждающая плата 503 смонтирована на корпусе (не показан), где будет установлен электронный модуль 501, и расположена таким образом, что подвижная охлаждающая плата 502 электронного модуля 501 может контактировать с ней. Стационарная охлаждающая плата 503 может включать в себя поверхность, которая имеет множество пазов и ребер, которые тесно сопрягаются с ребрами и пазами на подвижной охлаждающей плате 502. В одном варианте осуществления пазы и ребра на обеих платах расположены параллельно друг к другу, вдоль оси, ориентированной спереди назад, что может помогать пользователю перемещать скольжением электронный модуль 501 на стационарную охлаждающую плату 503 спереди, пока электрические соединители 511 на задней поверхности не будут вставлены в свои ответные части в корпусе (не показано). В примерных вариантах осуществления ребра и пазы показаны с эквидистантным пространственным распределением, однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть использованы различные конфигурации. Например, неравномерное распределение ребер, пазов и внутренних охлаждающих каналов может быть использовано для компенсации недостатка в равномерности рассеивания тепла на подвижной плате 502.
[29] В примерных вариантах осуществления стационарная охлаждающая плата 503 имеет множество внутренних каналов, проходящих спереди назад, чтобы переносить жидкий хладагент, который протекает под давлением. Питающий коллектор 504 может быть расположен на одном конце стационарной охлаждающей платы 503 для приема потока поступающего хладагента 505 и распределения хладагента 505 по множеству внутренних каналов. Возвратный коллектор 506 может быть расположен на противоположном конце стационарной охлаждающей платы 503 для сбора хладагента, выходящего из множества внутренних каналов, и доставки его в поток исходящего хладагента 507.
[30] Так как стационарная охлаждающая плата 503 постоянно смонтирована в корпусе блока питания, трубки или шланги, которые несут поступающий хладагент 505 и исходящий хладагент 507, также могут быть постоянно соединены со стационарной охлаждающей платой 503. В одном варианте осуществления вся система охлаждения может работать под потенциалом земли, так что трубки и механические опоры, соединенные со стационарной охлаждающей платой 503, могут быть металлическими. В других вариантах осуществления стационарная охлаждающая плата 503 может быть смонтирована на изолированных опорах и непроводящие трубки, шланги и хладагент могут быть использованы как для всей, так и для части системы охлаждения.
[31] В примерном варианте осуществления как подвижная охлаждающая плата 502, так и стационарная охлаждающая плата 503 могут быть выполнены из материала с низким тепловым сопротивлением, таким как медь или алюминий. В примерных вариантах осуществления геометрия сопрягаемых поверхностей 502 и 503, например общая площадь и количество, размер и расположение ребер, могут быть выбраны в зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды электронного модуля 501, чтобы обеспечить желаемую величину теплопередачи.
[32] В одном варианте осуществления электронный модуль 501 является малым и имеет легкий вес и его можно поднимать вручную от стационарной охлаждающей платы 503 и модуль замены может быть поднят вручную на стационарную охлаждающую плату 503. Однако в других вариантах осуществления электронные модули с жидкостным охлаждением могут быть большими и тяжелыми.
[33] На фиг. 6A и 6B показаны виды сбоку большого и тяжелого электронного модуля 601 с жидкостным охлаждением в подсоединенном и отсоединенном состояниях соответственно. Электронный модуль 601 может быть оснащен колесами 609, которые катятся по горизонтальной поверхности 608 в корпусе источника питания. В некоторых случаях поверхность 608 может представлять собой заземленный металл, но и в других случаях она выполняется из изоляционного материала. Электронный модуль 601 помещается на поверхность 608 от передней части корпуса (слева на фиг. 6А и 6В) и откатывается в положение, пока соединители 604 питания на задней поверхности электронного модуля 601 не будут вставлены в соответствующие соединители 605 на вертикальной изоляционной панели 607 в корпусе источника питания, как показано. Шины или кабели 606 проводят ток к соединителям 605 и от них.
[34] В примерных вариантах осуществления подвижная охлаждающая плата 602 крепится к электронному модулю 601 так, что она наклонена вниз к передней части (слева на фиг. 6А и 6В) под малым углом. Стационарная охлаждающая плата 603 смонтирована на поверхности 608 корпуса источника питания таким образом, чтобы она также наклонена по направлению к передней части на тот же малый угол. Охлаждающие платы 602, 603 расположены так, что когда электронный модуль 601 вкатывается в направлении вертикальной изоляционной панели 607, охлаждающие платы 602, 603 входят в контакт за несколько миллиметров до того, как соединители 604 и 605 будут полностью вставлены. В примерных вариантах осуществления на протяжении последних нескольких миллиметров перемещения электронный модуль 601 съезжает на стационарную охлаждающую плату 603, так что большая часть веса электронного модуля 601 переносится с колес 609 на охлаждающие платы 602, 603. Вес, сжимающий две охлаждающие платы 602, 603 вместе, улучшает теплопередачу между охлаждающими платами 602, 603.
[35] На фиг. 7А и 7В показаны виды в поперечном сечении охлаждающих плат, показанных на фиг. 6А и 6В, по линии A-A’ и В-В’ соответственно. Как показано на фиг. 7A, когда электронный модуль находится в соединенном положении, охлаждающие платы 702, 703 находятся в тесном контакте. Как показано на фиг. 7В, когда электронный модуль находится в отсоединенном положении, охлаждающие платы 702, 703 не находятся в прямом контакте. В примерных вариантах осуществления одна или обе из охлаждающих плат 702 могут быть покрыты теплопроводной смазкой для улучшения передачи тепла между ними. В примерном варианте осуществления стационарная охлаждающая плата 703 включает в себя множество каналов 710 для циркуляции охлаждающего флюида системы жидкостного охлаждения.
[36] На фиг. 8 представлена блок-схема последовательности операций способа 800 для замены электронного модуля электронного устройства с жидкостным охлаждением в соответствии с примерными вариантами осуществления. Электронное устройство включает в себя по меньшей мере один электронный модуль, размещенный в отдельном отсеке. В примерных вариантах осуществления система охлаждения включает в себя стационарную охлаждающую плату, расположенную в каждом отсеке электронного устройства, и подвижную охлаждающую плату, прикрепленную к каждому электронному модулю. Как показано в блоке 802, способ 800 может включать в себя перемещение первого электронного модуля, чтобы электрически отсоединять первый электронный модуль от множества электрических соединителей электронного устройства. Например, первый электронный модуль может быть перемещен в направлении от стационарных электрических соединителей к передней стенке и дверце. Это движение может привести к тому, что электрические соединители электронного модуля электрически отсоединяются от стационарных электрических соединителей, когда электронный модуль переходит из соединенного режима в отсоединенный режим. Кроме того, это движение вызовет то, что подвижная охлаждающая плата электронного модуля отсоединится от стационарной охлаждающей платы, расположенной в отсеке.
[37] Со ссылкой на фиг. 8, как показано в блоке 804, способ 800 включает в себя удаление первого электронного модуля из отсека. Как показано в блоке 806, способ 800 включает в себя вставку второго электронного модуля в отсек. Как показано в блоке 808, способ 800 включает в себя перемещение второго модуля электронного устройства для электрического соединения второго электронного модуля с множеством электрических соединителей и приведения подвижной охлаждающей платы второго электронного устройства в тесный контакт со стационарной охлаждающей платой.
[38] Хотя изобретение было обсуждено в основном применительно к источнику питания и модулям, специалистам в данной области должно быть понятно, что изобретение не ограничивается такими устройствами и может быть применено к любому электронному устройству, имеющему съемные модули.
[39] Терминология, использованная здесь, предназначается только для целей описания конкретных вариантов осуществления и не предназначается для ограничения изобретения. Как используется здесь, формы единственного числа предназначены также для включения форм множественного числа, если из контекста явно не следует иное. Также должно быть понятно, что термины “содержит” и/или “содержащий”, когда используются в данном описании, указывают на наличие указанных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают присутствия или добавления одного или более других признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
[40] Соответствующие структуры, материалы, действия и эквиваленты всех средств или элементы типа “этап плюс функция” в нижеследующей формуле изобретения предназначены для включения любой структуры, материала или действия для выполнения функции в комбинации с другими заявленными элементами, как конкретно заявлено. Описание настоящего изобретения было представлено в целях иллюстрации и описания, но не подразумевается исчерпывающим или ограничивающим изобретение в раскрытой форме. Многие модификации и вариации будут очевидны специалистам в данной области техники без отступления от объема и сущности настоящего изобретения. Вариант осуществления был выбран и описан, чтобы наилучшим образом пояснить принципы изобретения и практическое применение и дать возможность другим специалистам в данной области техники понять изобретение для различных вариантов осуществления с различными модификациями, подходящими для конкретного предусмотренного использования.
[41] В то время как был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, должно быть понятно, что специалисты в данной области техники и сейчас, и в будущем могут вносить различные изменения и усовершенствования, которые находятся в пределах объема нижеследующей формулы изобретения. Эта формула изобретения должна толковаться так, чтобы обеспечивать надлежащую охрану для впервые описанного изобретения.