СТОЙКА ПРИБОРНАЯ С ОПТИМИЗИРОВАННЫМ ТЕПЛООБМЕНОМ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована для размещения теплонагруженной радиоэлектронной аппаратуры.
Известен шкаф электронного оборудования (патент США № 6788535, дата приоритета 12.12.2002, дата регистрации 07.09.2004), содержащий основной электронный отсек, выполненный для установки тепловыделяющего электрооборудования. Основной отсек включает в себя заднюю панель стены и две раскладушки-двери, панель пола и панель крышки, вместе образующие корпус, устройство принудительного воздушного охлаждения. К основному отсеку крепится вентилируемый отсек, содержащий систему вентиляционного охлаждения. Общими признаками является наличие корпуса (каркас) с панелями (стенки). Недостатками данной конструкции шкафа является наличие затрат электроэнергии на принудительное воздушное охлаждения, а отключение вентилирующего устройства приведет к быстрому перегреву электрооборудования, установленного в верхней зоне шкафа. Таким образом, наличие вентиляторов приводит к низкой надежности охлаждения электрооборудования.
Известен шкаф радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) с пассивным охлаждением (патент РФ № 158898, дата приоритета 30.07.2015, дата публикации 20.01.2016), содержащий установленные на каркасе переднюю крышку, заднюю крышку, боковые крышки и верхнюю крышку с уплотнениями. Каркас содержит две боковые крышки с вырезами для свободного прохода воздуха. Каркас содержит межэтажные перегородки, обеспечивающие полное перекрывание проходного сечения каркаса между этажами. Общими с заявляемой полезной моделью признаками является наличие каркаса с крышками (стенки) и межэтажных перегородок. Недостатком является отсутствие конвективного теплообмена между верхним и нижним этажом, что может приводить к перегреву нижнего этажа.
Известен приборный шкаф (патент РФ № 773977, дата приоритета 01.04.1976, дата публикации 23.10.1980), содержащий корпус с установленными в нем двойными перегородками, которые не полностью перекрывают сечение шкафа между блоками РЭА. Общими признаками является наличие корпуса (каркас) и установленных в нем двойных перегородок. Недостатком является неравномерное охлаждение радиоэлектронной аппаратуры за счет того, что поток воздуха проходит только вдоль передней стенки шкафа.
Известен шкаф для электрорадиоаппаратуры (патент РФ №3860, дата приоритета 13.09.2005, дата публикации 10.06.2006). Общими с заявляемой полезной моделью признаками являются корпус (каркас), крышки, поддоны под полки с отверстиями для крепления жгутов и кабелей (пластины с отверстиями). Недостатком является невысокая эффективность теплосъема с конвективного потока воздуха, проходящего через поддон с отверстиями.
Под задачей оптимизации теплообмена в заявляемой полезной модели понимается повышение общего количества отводимого с этажей стойки тепла, а также обеспечение возможности установки в нижний этаж более теплонагруженных модулей или модулей с повышенными требованиями по сохранению рабочей температуры.
Технический результат заключается в повышении эффективности снятия тепла с конвективного потока между этажами стойки для радиоэлектронной аппаратуры, обеспечении лучшего теплоотвода с нижнего этажа стойки одновременно с обеспечением простоты изготовления.
Технический результат достигается за счет того, что стойка приборная содержит каркас со стенками, формирующий по меньшей мере два этажа, при этом межэтажные перегородки выполнены по крайней мере из двух перфорированных пластин, расположенных горизонтально с зазором.
Наличие перфорации в межэтажных перегородках позволяет осуществлять передачу тепла путем конвекции воздуха из нижнего модуля в верхний всей площади перегородки, при этом часть тепла отводится через буфер, образованный перфорированными пластинами и боковыми стенками. Поток воздуха обдувает обе пластины межэтажной перегородки, частично попадает и закручивается в пространство, образованное зазором этих пластин. Увеличивается путь, который проходит горячий поток в контакте со стенками и пластинами, и, соответственно, большое количество тепла отдается каркасу. Таким образом, часть тепла от модулей, установленных в нижнем этаже, не попадает в верхний этаж через конвекцию, а распределяется на нагрев двойной межэтажной перегородки с зазором, и переходит от этой перегородки (буферной зоны) на корпус (каркас и стенки). Выполнение перфорации в пластинах и их размещение в каркасе являются простыми типовыми операциями. Конструкция проста в изготовлении.
В стойке приборной может быть выполнена перфорация пластин в виде двух и более рядов отверстий, равномерно распределенных по ширине перегородки или в виде сетки равномерно распределенных отверстий. В стойке приборной может быть выполнена перфорация пластин в виде отверстий, расположенных в шахматном порядке. Отверстия в пластинах межэтажной перегородки в стойке приборной могут быть расположены одно над другим. Такие виды перфорации обеспечат равномерный конвективный поток, что повысит эффективность теплосъема с нижнего этажа.
Отверстия в пластинах межэтажной перегородки в стойке приборной могут быть расположены со смещением относительно отверстий в соседней пластине. При этом образуется дополнительное смещение конвективного потока, что может повысить эффективность теплообмена в буферной зоне.
Отверстия в пластинах в стойке приборной могут быть выполнены в виде кругов, либо эллипсов, либо прямоугольников. Форма отверстий обеспечивает удобство изготовления и эффективность прохода конвективного потока.
В стойке приборной на стенках могут быть размещены радиаторы. В стойке приборной стенки могут быть выполнены в виде радиаторов. В стойке приборной стенки могут быть выполнены с вырезами. В стойке приборной перфорация пластин может быть выполнена с возможностью крепления тепловыделяющего электрооборудования. Перфорированные перегородки могут быть выполнены из алюминиевого сплава. Все это повышает эффективность теплоотвода с этажей стойки и из буферной зоны.
Фиг. 1 - каркас стойки приборной.
Фиг. 2 - каркас стойки приборной с одним модулем электрооборудования на нижнем и одним – на верхнем этажах.
Фиг. 3 - каркас стойки приборной с полной загрузкой модулями электрооборудования.
На фиг.1-3 лицевые и боковые стенки не показаны.
Стойка приборная с оптимизированным теплообменом (фиг. 1) содержит каркас 1 со стенками (на фигуре не показаны), формирующий в данном исполнении два этажа (верхний и нижний). В данном случае роль каркаса играют уголки, передняя панель, боковые панели (не показаны). Стойка может быть реализована и с самостоятельным каркасом, например из стального профиля. Вместо передней стенки может быть дверь или дверцы. При этом межэтажные перегородки выполнены по крайней мере из двух пластин 2, перфорированных отверстиями 3 и расположенных горизонтально с зазором 4.
На фиг. 2 видны балки 5, прикрепленные к отверстиям 3 пластины 2, на балки 5 установлены модули 6 электрооборудования.
На каждом этаже может быть установлено один, два и более модуля. Например на фиг. 3 полная загрузка стойки приборной предполагает установку по пять модулей 6 электрооборудования на каждом этаже. Каркас 1 может быть выполнен двух-, трех- и более этажным. Стенки стойки приборной могут быть герметизированы или содержать отверстия.
Температура воздуха внутри стойки растёт в результате джоулева и индукционного нагрева, причем при отсутствии отверстий на боковых стенках стойки (в условиях герметизации) нагрев воздуха осуществляется более интенсивно. В результате нагрева образуется поток воздуха, который направляется к пластинам 2 межэтажной перегородки, проходит через отверстия 3 в нижней пластине, частично закручивается в зазоре 4 между пластинами 2. Поток нагретого воздуха из нижнего этажа получает большую площадь контакта с поверхностью пластин 2, и соответственно большое количество тепла по пластинам 2 отдается каркасу 1 и на его стенки. Таким образом, часть тепла от модулей 6, установленных в нижнем этаже, не попадает на верхний этаж в результате конвекции, а распределяется на нагрев двойной межэтажной перегородки 2 с зазором 4 (буфера) и переходит на корпус (каркас и стенки).
Достижение технического результата подтверждается результатами моделирования. Моделирование распределения нагретого воздуха в стойке приборной подтвердило, что наличие каркаса со стенками, формирующего по меньшей мере два этажа, межэтажных перегородок, выполненных по крайней мере из двух перфорированных пластин, расположенных с зазором, обеспечивает оптимальный теплообмен между этажами стойки без затрат электроэнергии на принудительную конвекцию воздушного потока.
Моделирование осуществлялось в программном комплексе «Солидворкс» («Solidworks») с целью сравнить эффективность теплообмена между этажами в заявленной конструкции стойки приборной с аналогичными конструкциями.
При моделировании было принято, что температура окружающей среды составляет 45°С, стойка приборная состоит из двух этажей с герметизированными стенками и содержит по четыре модуля электрооборудования на каждом этаже, стойка выполнена из алюминиевого сплава АМг6. Мощность тепловыделения на каждом этаже: два модуля по 15 Вт и два модуля по 5 Вт, всего на этаже - 40 Вт. Всего на двух этажах – 80 Вт.
В таблице представлены результаты теплового моделирования в разных конструкциях с расчетом средней по модулям на этаже температуры (Т).
Без перегородок (Т, °C)
С одной перфорирован-ной перегородкой (Т, °C)
С двумя перфорирован-ными пластинами (фиг.4) (Т, °C)
С двумя сплошными пластинами (Т, °C)
С одной сплошной пластиной (Т, °C)
1
2
3
4
5
6
Верхний этаж
65,34
64,46
64,09
63,61
63,65
Нижний этаж
62,84
63
62,95
63,46
63,54
Сумма
128,18
127,46
127,04
127,07
127,19
Конструкция стойки, не имеющей перегородки, может привести к перегреву электронного оборудования, установленного на верхнем этаже, т.к. в этом случае на верхнем этаже температуры максимальны (в среднем 65,34°С). В такой конструкции максимальна и суммарная температура, отражающая количество тепла, неотведенного с этажей стойки.
Конструкция стойки с одной пластиной (перфорированной – столбец 3 и сплошной – столбец 6) повышает количество отведенного тепла (за счет кондуктивного отвода через пластину).
Конструкция стойки с двумя пластинами (перфорированными – столбец 4, сплошными – столбец 5) обеспечивает максимальный отвод тепла. В конструкции с перфорированными пластинами отводится большее количество тепла (суммарная температура самая низкая). При этом температура верхнего этажа снижается на 1,25°С от худшего варианта конструкции, а температура нижнего этажа практически не повышается по сравнению с лучшим для этого этажа вариантом (полным отсутствием перегородки). При использовании такой конструкции в нижний этаж могут быть установлены более теплонагруженные модули либо модули, к которым предъявляются повышенные требования по сохранению рабочей температуры, т.е. обеспечивается оптимизированный теплообмен.