ШКАФ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
CABINET FOR RADIOELECTRONIC EQUIPMENT

Изобретение относится к конструкциям шкафов для размещения различных модулей радиоэлектронной аппаратуры. Может быть использован для радиоэлектронной аппаратуры специального назначения, для применения в жестких условиях эксплуатации.
Известны шкафы для размещения радиоэлектронной аппаратуры, в которых для охлаждения последней используется принудительное воздушное охлаждение с забором наружного холодного воздуха и выбросом нагретого аппаратурой воздуха из шкафа. Например, по:
- полезной модели Российской Федерации: RU 62763 от 27.04.2007 г., МПК Н05К 7/20, «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры» - [1];
- патенту Российской Федерации: RU 2344578 от 20.01.2009 г., МПК Н05К 7/20, «Система и способ охлаждения приборных и распределительных шкафов» - [2];
- патенту Российской Федерации: RU 2389058 от 10.05.2010 г., МПК G06F 1/18, Н05К 7/20, «Серверная платформа» - [3].
Недостатком известных аналогов [1], [2] и [3] является то, что со временем находящаяся во всасываемом воздухе пыль и другие частицы постепенно оседают и сильно загрязняют как сами вентиляторы и воздушные каналы, так и поверхности теплообмена и элементы радиоэлектронной аппаратуры, что может привести к выходу последней из строя (привести к повреждению или разрушению электронных компонентов). Отложение загрязнений, особенно при мобильном исполнении шкафа радиоэлектронной аппаратуры вызывает необходимость его регулярной чистки и технического обслуживания, что не всегда приемлемо.
Известно выполнение принудительного воздушного охлаждения с забором наружного холодного воздуха через защитный элемент, например по «Вентиляторному охлаждающему устройству» по патенту Российской Федерации: RU 2378808 от 10.01.2010 г., МПК Н05К 7/00 - [4]. Также известны узлы фильтрации всасываемого холодного воздуха, например по:
- патенту Российской Федерации: RU 2342567 от 27.12.2008 г., МПК F04D 29/70, Н05К 7/20, Н02ВК 1/56, «Устройство для прохождения воздуха» -
[5];
- патенту Российской Федерации: RU 2343323 от 10.01.2009 г., МПК F04D 29/70, Н05К 7/20, H02BF 1/20, «Фильтрующий вентилятор с устройством для быстрого крепления» - [6].
Недостатком известных аналогов [4], [5] и [6] является то, что фильтрующий элемент входного воздуха со временем сильно загрязняется находящимися во всасываемом воздухе пылью и другими частицами, в результате чего растет аэродинамическое сопротивление фильтрующих элементов и, как следствие, снижается количество поступающего охлаждающего воздуха. В результате чего может произойти перегрев радиоэлектронной аппаратуры и выход ее из строя. Для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры требуется регулярная чистка или замена фильтрующих элементов, что резко повышает стоимость эксплуатации и не всегда приемлемо. Кроме того, необходимо знать точное время засорения фильтрующего элемента, что практически очень затруднительно. Вследствие этого резко снижается надежность эксплуатации шкафа радиоэлектронной аппаратуры. Возникает необходимость дополнительно устанавливать датчики регистрации снижения воздушного потока, но это не устраняет необходимость своевременной замены фильтрующего элемента.
Известен «Корпус радиоэлектронной аппаратуры» по полезной модели Российской Федерации: RU 42148 от 20.11.2004 г., МПК Н05К 5/00, Н05К 7/00, Н05К 7/20 - [7], содержащий разъемы и несущий каркас, на внутренних поверхностях верхней и нижней панелей которого выполнены направляющие для съемных блоков, а на наружных поверхностях размещены теплоотводящие ребра, при этом несущий каркас снабжен дополнительными теплоотводящими ребрами на внешних поверхностях боковых панелей, при этом между теплоотводящими ребрами выполнены направляющие для теплоотводящих элементов с хладагентом.
Известен «Радиоэлектронный блок» по патенту Российской Федерации: RU 2380866 от 27.01.2010 г., МПК Н05К 7/00, Н05К 7/20, Н05ВК 1/19 - [8], содержащий модули, соединенные объединительной печатной платой, расположенной с внутренней стороны задней панели корпуса блока параллельно ее поверхности, модули соединены, по меньшей мере, двумя объединительными платами и сквозными разъемами модулей, причем теплонагруженные и нетеплонагруженные модули расположены на расстоянии друг от друга.
Известен «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры» по полезной модели Российской Федерации: RU 17107 от 10.03.2001 г., МПК Н05К 7/20 - [9], содержащий корпус, плиты, расположенные одна над другой и образующие горизонтальные секции, в которых размещены съемные блоки радиоэлектронной аппаратуры, систему теплоотвода из плит, соединенных с задней стенкой шкафа, при этом плиты и задняя стенка шкафа выполнены из теплопроводящего материала, на внешней стороне задней стенки шкафа установлены средства крепления для теплоотводящей пластины с дополнительными средствами охлаждения на внешней ее стороне (оребрения, средства принудительного воздушного охлаждения или средства водяного охлаждения).
Также известен «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры» по патенту Российской Федерации: RU 2338345 от 10.11.2008 г., МПК Н05К 7/20 - [10], содержащий корпус с задней стенкой, плиты или пластины из высокотеплопроводного материала, расположенные одна над другой и образующие горизонтальные секции для размещения радиоэлектронной аппаратуры, систему теплоотвода, состоящую из тепловых труб, приведенных в тепловой контакт с пластинами из высокотеплопроводного материала в области зоны испарения тепловой трубы и задней стенкой шкафа, также выполненной из высокотеплопроводного материала, на внешней стороне которой крепится зона конденсации тепловых труб.
Недостатками аналогов [7], [8], [9] и [10] является то, что в процессе теплоотвода от радиоэлектронной аппаратуры используются только процессы теплопроводности и естественной конвекции и не используется принудительная вентиляция внутри корпуса, что снижает эффективность его функционирования. Кроме того, использование теплопроводящих плит, оребрений и теплообменников существенно повышает вес конструкции, требует производства дорогих материалов, что повышает стоимость таких изделий. Аналог [10] снабжен системой принудительной вентиляции, но снаружи шкафа, и этой наружной принудительной вентиляции присущи недостатки аналогов [1], [2] и [3], кроме того, использование тепловых труб усложняет систему теплоотвода шкафа радиоэлектронной аппаратуры и существенно увеличивает его стоимость.
Прототипом заявляемого технического решения является «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры» по полезной модели Российской Федерации: RU 89799 от 10.12.2009 г., МПК Н05К 7/20 - [11], содержащий перегородки, и принудительную воздушную систему охлаждения внутри шкафа, и установленные в него субмодули в виде прямоугольных параллелепипедов с собственными автономными системами воздушного охлаждения.
Недостатком прототипа [11] является то, что его вентиляция выполнена открытой с забором наружного воздуха, и поэтому ей присущи все недостатки аналогов [1], [2] и [3], а использование только собственных автономных систем воздушного охлаждения установленных субмодулей не позволяет эффективно и максимально использовать возможности теплоотвода через все стенки шкафа радиоэлектронной аппаратуры.
Указанные недостатки аналогов и прототипа ставят задачу создания высокоэффективного по теплоотводу герметичного необслуживаемого шкафа радиоэлектронной аппаратуры, с установленными в нем субмодулями (например, в виде прямоугольных параллелепипедов) с собственными автономными системами воздушного охлаждения.
Поставленная задача решается тем, что в шкаф радиоэлектронной аппаратуры с внутренними перегородками, и с принудительным воздушным охлаждением внутри шкафа, и установленными в него субмодулями с собственными автономными системами воздушного охлаждения, выполнен герметичным, содержит два отдельных вентиляционных блока, внутренние перегородки от собственных автономных систем воздушного охлаждения субмодулей образуют продольные вентиляционные каналы: по задней обшивке шкафа, верхней и нижней его обшивкам и передней двери, а от двух отдельных вентиляционных блоков шкафа, установленных соответственно выше и ниже субмодулей, внутренние перегородки образуют поперечные вентиляционные каналы: вертикально между корпусами субмодулей и по боковым обшивкам шкафа. Обшивки шкафа радиоэлектронной аппаратуры могут быть выполнены гофрированными: передняя дверь, задняя и боковые обшивки выполнены с вертикальными гофрами, а в нижней и в верхней обшивках гофры расположены в направлении от передней двери к задней обшивке, причем все гофры к кромкам листов передней двери и обшивок шкафа радиоэлектронной аппаратуры выполнены переходящими в плоскость листов.
Введение в формулу изобретения признака «шкаф радиоэлектронной аппаратуры выполнен герметичным» необходимо для того, чтобы обеспечить его длительную работу без обслуживания, путем исключения загрязнений компонентов радиоэлектронной аппаратуры пылью и другими частицами из наружного воздуха. Это позволит использовать в заявляемом устройстве радиоэлектронную аппаратуру специального назначения и применять ее в жестких условиях эксплуатации.
Введение в формулу изобретения признаков: «внутренние перегородки от собственных автономных систем воздушного охлаждения субмодулей образуют продольные вентиляционные каналы: по задней обшивке шкафа, верхней и нижней его обшивкам и передней двери, а от двух отдельных вентиляционных блоков шкафа, установленных соответственно выше и ниже субмодулей, внутренние перегородки образуют поперечные вентиляционные каналы: вертикально между корпусами субмодулей и по боковым обшивкам шкафа», необходимо для того, чтобы организовать максимальный отвод теплоты, выделяемой при работе субмодулей через все обшивки шкафа и его переднюю дверь. Разделение охлаждающего воздуха на два потока позволяет более эффективно организовывать теплоотвод от субмодулей, не нарушая работу их собственных автономных систем воздушного охлаждения.
Введение в формулу изобретения признаков: «передняя дверь и обшивки шкафа радиоэлектронной аппаратуры выполнены гофрированными: передняя дверь, задняя и боковые обшивки выполнены с вертикальными гофрами, а в нижней и в верхней обшивках гофры расположены в направлении от передней двери к задней обшивке», необходимо для того, чтобы существенно увеличить площадь внешней поверхности шкафа и, следовательно, создать возможность установки в шкаф более мощной радиоэлектронной аппаратуры, без дополнительных энергетических затрат для ее охлаждения. Направление гофр на обшивках шкафа и его двери соответствует направлению охлаждающих потоков воздуха, для минимизации аэродинамических потерь при их движении по каналам и исключения перемешивания этих потоков, из-за повышенной турбулентности.
Введение в формулу изобретения признака: «все гофры к кромкам листов передней двери и обшивок шкафа радиоэлектронной аппаратуры выполнены переходящими в плоскость листов», необходимо для упрощения технологических процессов сборки шкафа радиоэлектронной аппаратуры, так как плоские кромки его обшивок и дверей существенно легче соединять и герметизировать.
На фиг.1 схематично представлен шкаф радиоэлектронной аппаратуры с продольными и поперечными потоками воздушного охлаждения; на фиг.2 - вид шкафа радиоэлектронной аппаратуры слева и спереди без боковых, задней обшивок и двери; на фиг.3 - вид шкафа радиоэлектронной аппаратуры справа и сзади без боковых, задней обшивок и двери; на фиг.4 - фото вентиляционного блока; на фиг.5 - фото шкафа без установленного оборудования.
Шкаф 1 радиоэлектронной аппаратуры содержит переднюю дверь шкафа 2, заднюю обшивку 3, боковые обшивки 4 и 5, нижнюю обшивку 6 и верхнюю обшивку 7. Внутри шкафа 1 расположены перфорированные полки (не показаны) для субмодулей 8 с собственными автономными системами принудительного воздушного охлаждения (например, в виде прямоугольных параллелепипедов), направление движения воздуха в котором направлено от передней двери к задней обшивке. Ниже субмодулей 8 размещен вентиляционный блок 9 с нагнетательными вентиляторами, а выше субмодулей 8 размещен вентиляционный блок 10 с вытяжными вентиляторами.
Ниже вентиляционного блока 9 с равными зазорами от блока 9, нижней обшивки 6, передней двери 1 и задней обшивки 3 установлена сплошная перегородка 11 (нижняя), а выше блока 10 аналогично установлена сплошная перегородка 12 (верхняя), которые с передней дверью шкафа 2 задней обшивкой 3, нижней обшивкой 6 и верхней обшивкой 7 образуют продольные вентиляционные каналы для охлаждаемого воздуха, прогоняемого собственными автономными системами принудительного воздушного охлаждения субмодулей 8.
Перегородки 11 и 12 установлены в стык соответственно боковым обшивкам 4 и 5, через уплотнители. Перегородки 11 и 12 с (внешних) боковых сторон субмодулей 8 и вентиляционных блоков 9 и 10 соединены вертикальными перегородками 13 (левой) и 14 (правой), которые расположены с одинаковыми зазорами от вентиляционных блоков 9 и 10. Вертикальные внутренние перегородки 13 и 14 ниже и выше вентиляционных блоков 9 и 10 содержат перфорацию - отверстия для прохода воздуха, прогоняемого вентиляционными блоками 9 и 10. Вертикальные внутренние перегородки 13 и 14 совместно с боковыми обшивками 4 и 5, а также перегородками 11 и 12 образуют поперечные воздушные вентиляционные каналы, для охлаждаемого воздуха, прогоняемого вентиляционными блоками 9 и 10.
Направление потоков 15 охлаждающего воздуха в продольных вентиляционных каналах на фиг.1 показано толстыми стрелками, а потоков 16 охлаждающего воздуха в поперечных - тонкими стрелками. Гофры на передней двери 2 и обшивках 3, 4, 5, 6, 7 на фиг.1, 2, 3, 4 и 5 не показаны.
Работает предложенный шкаф радиоэлектронной аппаратуры следующим образом.
При работе расположенных в шкафу 1 субмодулей 8 выделяется теплота, которая из них при помощи собственных систем охлаждения передается воздушному потоку. Совместный воздушный поток от собственных систем охлаждения каждого из субмодулей 8 направляется на заднюю обшивку 3, по которой он разделяется на два вертикальных потока (верх и низ) и по продольным вентиляционным каналам, образованным сплошными перегородками 11, 12, 13 и 14, воздушный поток по верхней, нижней обшивкам и по двери шкафа направляется вновь на вход собственных систем охлажденных систем охлаждения каждого из субмодулей 8.
При прохождении нагретого в субмодулях 8 потока 15 воздуха по задней 3, верхней 7, нижней 6 обшивкам и по передней двери 2 он отдает им свою теплоту и сам охлаждается. Теплота передним обшивкам 3, 7, 6 и двери 2 теплопроводностью передается на внешнюю поверхность шкафа 1, откуда передается наружному воздуху и путем его естественной конвекции отводится от шкафа радиоэлектронной аппаратуры.
Дополнительно теплота от корпусов субмодулей 8 отводится охлаждающим вертикальным воздушным потоком 16, создаваемым вентиляционными блоками 9 и 10, от которых воздушный поток 16 направляется в поперечные воздушные каналы, образованные перегородками 13 и 14 совместно с боковыми обшивками 4 и 5, а также перегородками 11 и 12. При этом теплота отводится из шкафа через боковые обшивки 4 и 5.
Заявителем проведена опытно-конструкторская разработка предложенного технического решения, которое соответствует ГОСТ 21676-2000. При этом дополнительно решена задача эффективного охлаждения находящихся в шкафу радиоэлектронной аппаратуры модулей большой мощности. Так испытания подтвердили возможность реализации мобильного, эксплуатируемого в жестких условиях, необслуживаемого шкафа радиоэлектронной аппаратуры с тепловыделениями более 5 кВт на кубический метр объема шкафа.
Предложенный шкаф радиоэлектронной аппаратуры оптимально совместим с модулями радиоэлектронной аппаратуры на системном уровне, с использованием магистрально-модульного принципа конструирования, обеспечивающего возможность взаимозаменяемости при модернизации аппаратуры в условиях эксплуатации. Обладает повышенной надежностью, позволяет обеспечить прочность, стойкость и устойчивость к внешним воздействующим факторам. Как следствие, достигается повышение потребительских свойств устройства и более полное удовлетворение интересов заказчиков. Документация на разработанный шкаф по совместимости с модулями радиоэлектронной аппаратуры соответствует ГОСТ 52003-2003. Это обеспечивает оптимальную совместимость радиоэлектронных средств на системном уровне по конструктивным, прочностным, электрическим, электромагнитным параметрам, в том числе, по интерфейсам и электрическому монтажу. Шкаф радиоэлектронной аппаратуры может быть изготовлен по размерам как в метрической системе по серии ГОСТ Р 50756, так и в дюймовой системе по серии стандартов МЭК 60297.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями изобретения, так как:
- шкаф радиоэлектронной аппаратуры в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию "новизна";
- совокупность признаков формулы изобретения устройства не известна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам конструирования шкафов радиоэлектронной аппаратуры, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень";
- конструктивная реализация шкафа радиоэлектронной аппаратуры не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература:
1. Полезная модель Российской Федерации: RU 62763 от 27.04.2007 г., МПК Н05К 7/20, «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры».
2. Патент Российской Федерации: RU 2344578 от 20.01.2009 г., МПК Н05К 7/20, «Система и способ охлаждения приборных и распределительных шкафов».
3. Патент Российской Федерации: RU 2389058 от 10.05.2010 г., МПК G06F 1/18, Н05К 7/20, «Серверная платформа».
4. Патент Российской Федерации: RU 2378808 от 10.01.2010 г., МПК Н05К 7/00, «Вентиляторное охлаждающее устройство».
5. Патент Российской Федерации: RU 2342567 от 27.12.2008 г., МПК F04D 29/70, Н05К 7/20, Н02ВК 1/56, «Устройство для прохождения воздуха».
6. Патент Российской Федерации: RU 2343323 от 10.01.2009 г., МПК F04D 29/70, Н05К 7/20, H02BF 1/20, «Фильтрующий вентилятор с устройством для быстрого крепления».
7. Полезная модель Российской Федерации: RU 42148 от 20.11.2004 г., МПК Н05К 5/00, Н05К 7/00, Н05К 7/20, «Корпус радиоэлектронной аппаратуры».
8. Патент Российской Федерации: RU 2380866 от 27.01.2010 г., МПК Н05К 7/00, Н05К 7/20, Н05ВК 1/19, «Радиоэлектронный блок».
9. Полезная модель Российской Федерации: RU 17107 от 10.03.2001 г., МПК Н05К 7/20, «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры».
10. Патент Российской Федерации: RU 2338345 от 10.11.2008 г., МПК Н05К 7/20, «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры».
11. Полезная модель Российской Федерации: RU 89799 от 10.12.2009 г., МПК Н05К 7/20, «Шкаф радиоэлектронной аппаратуры» - прототип.