СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Полезная модель относится к средствам охлаждения радиоэлектронной аппаратуры и может быть использована в подвижных и стационарных системах.
Известная система жидкостного охлаждения аппаратуры [RU 2326791 C1, 11.04.2007], содержащая замкнутый контур, заполненный охлаждающей жидкостью, насос, включенный в замкнутый контур между его всасывающим и напорным трубопроводами, теплообменник, полость охлаждающей жидкости которого включена в замкнутый контура, а вход холодного теплоносителя подключен к источнику охлаждающей среды (воздух). Система снабжена теплообменником, вход холодного теплоносителя которого подключен к источнику другой охлаждающей среды (жидкость), а его полость охлаждающей жидкости включена в ответвление контура своими входным и выходным трубопроводами. У системы входной трубопровод ответвления подключен к напорному трубопроводу замкнутого контура, а выходной трубопровод ответвления подключен к всасывающему трубопроводу замкнутого контура. Блоки аппаратуры включены в замкнутый контур параллельно или последовательно. Система снабжена трехходовым краном переключения потока жидкости, имеющим один входной и два выходных патрубка и включенным входным и одним выходным патрубками в выходной трубопровод ответвления. Имеется трубопровод, сообщающий второй выходной патрубок трехходового крана с входным трубопроводом ответвления. Трехходовой кран в зависимости от своего положения сообщает выходной трубопровод ответвления с замкнутым контуром или с входным трубопроводом ответвления.
Недостатками данной системы жидкостного охлаждения аппаратуры, является значительные трудозатраты и повышенный расход охлаждающей жидкости, связанные с необходимостью слива и залива охлаждающей жидкости из контура при замене или ремонте блоков аппаратуры. Наличие, как минимум, двух теплообменников с различной охлаждающей средой усложняет конструкцию и всю систему в целом. Для создания необходимого расхода охлаждающей жидкости через блоки аппаратуры, установленные в ответвление, необходимо введение дополнительного насоса без средств обеспечения бескавитационной работы насоса. При переключении трехходового крана происходит изменение температурного режима работы блоков аппаратуры включенных в ответвление за счет дополнительного отвода тепла от охлаждающей жидкости в теплообменнике, установленного в замкнутом контуре, что влияет на работоспособность и долговечность блоков аппаратуры.
Наиболее близкой к полезной модели является система жидкостного охлаждения [RU 67336 U1, 10.10.2007], содержащая замкнутый контур, заполненный охлаждающей жидкостью, насос, включенный в контур между его всасывающим и напорным трубопроводами, сливной трубопровод от объекта, включающего в себя блоки аппаратуры. Напорный трубопровод через фильтр первый трехходовой кран, первый двухходовой кран, блок нагрева соединен с входом охлаждаемого объекта. Первый двухходовой кран снабжен обходной дросселирующей вставкой. Смотровое стекло выполнено в трубопроводе, соединяющем блок нагрева с выходом первого двухходового крана. Всасывающий трубопровод через второй трехходовой кран, второй двухходовой кран, третий трехходовой кран, термостат соединен со сливным трубопроводом от объекта. С ним через термостат соединен воздухо-жидкостной теплообменник, выходной патрубок которого, а также верхний патрубок ресивера через второй двухходовой кран и второй трехходовой кран соединены с всасывающим трубопроводом. Нижний патрубок ресивера через первый и второй трехходовые краны соединен, соответственно, с напорным и всасывающим трубопроводом замкнутого контура. Выходной патрубок первого трехходового крана соединен также со вторым выходных патрубком второго трехходового крана.
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известной системы жидкостного охлаждения аппаратуры, является наличие реверсирования движения потока охлаждающей жидкости при ее сливе из контура в ресивер. При этом ограничивается применяемость данной системы жидкостного охлаждения, содержащей блоки аппаратуры или другие устройства, в которых регламентированы патрубки для входа и выхода жидкости из-за конструктивных особенностей. Наличие дополнительного третьего трехходового крана для залива и слива охлаждающей жидкости из контура необходимого для перенаправления потока жидкости в обход термостата, который при определенной температуре перекрывает трубопровод, идущий на вход теплообменника. Применение термостата с твердым наполнителем, имеющим заданный рабочий температурный диапазон и инертный нелинейный ход клапана из-за физических свойств материала наполнителя, ограничивает использование данной системы при установке блоков аппаратуры с другой рабочей температурой или с более узким рабочим диапазоном температуры.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Задачей полезной модели является обеспечение залива контура и слива охлаждающей жидкости из него без реверсирования движения потока жидкости, а также оптимизация охлаждения блоков аппаратуры с различными режимами термостабилизации без изменения конфигурации системы. Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, выражается в расширении возможностей применения и адаптивной оптимизации охлаждения блоков аппаратуры с разными режимами термостабилизации.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе жидкостного охлаждения, содержащей замкнутый контур, заполненный охлаждающей жидкостью, насос, включенный в замкнутый контур между его всасывающим и напорным трубопроводами, фильтр, нагреватель, ресивер с нижним и верхним патрубками, воздухо-жидкостной теплообменник, полость которого включена в контур, согласно полезной модели введены первый и второй двухходовые краны, первый и второй трехходовые краны, кран-термостат с электроприводом, подключенный к блоку управления и контроля, при этом напорный трубопровод через фильтр, второй трехходовой кран, нагреватель и блоки аппаратуры соединен с входным патрубком воздухо-жидкостного теплообменника и входным трубопроводом ответвления; выходной патрубок теплообменника соединен с первым входным патрубком крана-термостата, выходной трубопровод ответвления соединен со вторым входным патрубком крана-термостата, выходной патрубок крана-термостата соединен со сливным трубопроводом; сливной трубопровод, в котором расположено смотровое стекло, через первый трехходовой кран соединен с всасывающим трубопроводом; нижний патрубок ресивера через первый двухходовой кран соединен с всасывающим трубопроводом и через второй двухходовой кран соединен с напорным трубопроводом; верхний патрубок ресивера соединен с первым и вторым трехходовыми кранами;
Система жидкостного охлаждения содержит средства контроля температуры, давления, а также контроля и регулировки расхода охлаждающей жидкости. Предусмотрены средства защиты блоков аппаратуры от гидроударов.
Причинно-следственные связи признаков полезной модели с техническим результатом выражаются в следующем: первый и второй двухходовые краны, первый и второй трехходовые краны и кран-термостат с электроприводом, подключенный к блоку управления и контроля, обеспечивают залив охлаждающей жидкости в контур и слив из него без реверсирования направления потока жидкости, а также режим термостабилизации с заданными параметрами.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - схема залива охлаждающей жидкости в систему; фиг.2 - схема слива охлаждающей жидкости из системы; фиг.3-схема работы системы в режиме термостабилизации.
Система жидкостного охлаждения (фиг.1, фиг.2, фиг.3) содержит замкнутый контур, заполненный охлаждающей жидкостью, насос 1, включенный в контур между его всасывающим 2 и напорным 3 трубопроводами. Напорный трубопровод 3 через фильтр 4, второй трехходовой кран 5, нагреватель 6 и блоки аппаратуры 7 соединен с входным патрубком 8 воздухо-жидкостного теплообменника 9 и входным трубопроводом 10 ответвления. Выходной патрубок 11 теплообменника 9 соединен с первым входным патрубком 12 крана-термостата 13, выходной трубопровод 14 ответвления соединен со вторым входным патрубком 15 крана-термостата 13, выходной патрубок 16 крана-термостата 13 соединен со сливным трубопроводом 17; сливной трубопровод 17, в котором расположено смотровое стекло 18, через первый трехходовой кран 19, соединен с всасывающим трубопроводом 2. Нижний патрубок 20 ресивера 21 через первый двухходовой кран 22 соединен с всасывающим 2 трубопроводом и через второй двухходовой кран 23 соединен с напорным 3 трубопроводом. Верхний патрубок 24 ресивера 21 соединен с первым 19 и вторым 5 трехходовыми кранами. Механический обратный клапан 25 установлен между вторым двухходовым краном 23 и трубопроводом 26, идущим к нижнему патрубку 20 ресивера 21. Вход 27 холодного теплоносителя теплообменника 9 подключен к источнику охлаждающей среды предпочтительно потоку холодного воздуха. Кран-термостат 13 снабжен электроприводом 28, подключенным к блоку управления и контроля 29, который изменяет ориентацию шарового элемента внутри крана для перераспределения потоков жидкости, проходящих через него.
Система содержит датчик давления 30 и датчик температуры 31 для контроля параметров охлаждающей жидкости в контуре. Система снабжена средствами контроля расхода в виде турбинных расходомеров 32, 33 и регулировки расхода в виде гидродросселей 34, 35, а также средствами защиты блоков аппаратуры в каждом канале в виде гасителей гидроударов 36, 37, расположенных предпочтительно максимально близко к ним.
Система жидкостного охлаждения в режиме залива охлаждающей жидкости в систему (фиг.1) работает следующим образом. В ресивер 21 заливают охлаждающую жидкость предпочтительно низкозамерзающую (антифриз) в объеме необходимом для нормальной работы системы. Первый 22 и второй 23 двухходовые краны, первый 19 и второй 5 трехходовые краны и кран-термостат 13 устанавливают в соответствующие положения. При этом охлаждающая жидкость с нижнего патрубка 20 ресивера 21, который расположен ниже уровня охлаждающей жидкости в ресивере 21, поступает в насос 1 через первый двухходовой кран 22 и всасывающий трубопровод 2. Через напорный трубопровод 3, фильтр 4, второй трехходовой кран 5, нагреватель 6, блоки аппаратуры 7, охлаждающая жидкость поступает во входной патрубок 8 воздухо-жидкостного теплообменника 9 и во входной трубопровод 10 ответвления. С выходного патрубка 16 крана-термостата 13, соединенного первым 12 и вторым 15 входными патрубками, соответственно, с выходным патрубком 11 воздухо-жидкостного теплообменника 9 и выходным трубопроводом 14 ответвления, через сливной трубопровод 17 со смотровым стеклом 18, первый трехходовой кран 19 и верхний патрубок 24 ресивера 21 охлаждающая жидкость поступает в ресивер 21, вытесняя весь воздух из системы. Ресивер 21 через воздушный сапун сообщается с атмосферой (на схеме не показан). Смотровое стекло 18 позволяет визуально контролировать процесс вытеснения воздуха из контура. О полном заливе контура судят по уровню охлаждающей жидкости в ресивере и отсутствия пузырьков воздуха в смотровом стекле 18. В процессе залива системы кран-термостат 13 принимает промежуточное положение, при котором через ответвление (трубопроводы 10, 14) проходит от 10 до 30% от общего расхода охлаждающей жидкости, что позволяет выполнять залив всей системы без применения дополнительного трехходового крана.
Система жидкостного охлаждения в режиме слива охлаждающей жидкости из системы (фиг.2) работает следующим образом. Первый 22 и второй 23 двухходовые краны, первый 19 и второй 5 трехходовые краны и кран-термостат 13 устанавливают в соответствующие положения. При этом охлаждающая жидкость с верхнего патрубка 24 ресивера 21 через второй трехходовой кран 5, нагреватель 6, блоки аппаратуры 7, воздухо-жидкостной теплообменник 9, кран-термостат 13, смотровое стекло 18, первый трехходовой кран 19 поступает во всасывающий трубопровод 2. Через напорный трубопровод 3, второй двухходовой кран 23 и обратный клапан 25 охлаждающая жидкость поступает в нижний патрубок 20 ресивера 21. При падении давления в напорном трубопроводе 3 из-за прекращения поступления жидкости во всасывающий трубопровод 2 механический обратный клапан 25 перекрывает трубопровод 26. О сливе охлаждающей жидкости судят по уровню жидкости в ресивере 21 и по показанию датчика давления 30. При этом в процессе слива охлаждающая жидкость движется по контуру через элементы системы без изменения направления движения (реверсирования).
Система жидкостного охлаждения в режиме термостабилизации (фиг.3) работает следующим образом. Первый 22 и второй 23 двухходовые краны, первый 19 и второй 5 трехходовые краны устанавливают в соответствующие положения. Нижний патрубок 20 ресивера 21 через первый двухходовой кран 22 соединен с всасывающим трубопроводом 2. При этом происходит компенсация температурного расширения охлаждающей жидкости и обеспечивается бескавитационной режим работы насоса 1. Напорный трубопровод 3 через фильтр 4, второй трехходовой кран 5, нагреватель 6, блоки аппаратуры 7 подключен к входному патрубку 8 воздухо-жидкостного теплообменника 9 и входному трубопроводу 10 ответвления. Выходной патрубок 11 теплообменника 9 и выходной трубопровод 14 ответвления через первый 12 и второй 15 входные патрубки крана-термостата 13, соответственно, соединены со сливным трубопроводом 17 через выходной патрубок 16 крана-термостата 13. Сливной трубопровод 17, в котором расположено смотровое стекло 18, через первый трехходовой кран 19 соединен с всасывающим трубопроводом 2.
За счет прокачки охлаждающей жидкости по замкнутому контуру через блоки аппаратуры 7 происходит отвод тепла от их нагретых частей и поддержание теплового режима (термостабилизации) аппаратуры в заданном температурном диапазоне. Тепло от нагретой охлаждающей жидкости через теплообменник 9 передается потоку воздуха, поступающего, например, от окружающей среды. Для получения необходимой начальной температуры охлаждающей жидкости блоков аппаратуры 7, требующих особый тепловой режим работы, происходит прокачка охлаждающей жидкости через нагреватель 6, включаемый по сигналам с блока управления и контроля 29.
В процессе работы системы в режиме термостабилизации на блок управления и контроля 29 непрерывно поступает информация о температуре, давлении и расходе охлаждающей жидкости в контуре, а также положении крана-термостата 13.
Шаровый элемент внутри крана-термостата 13 имеет специальный профиль, с помощью которого при изменении его положения электроприводом 28 происходит перепускание потоков охлаждающей жидкости пропорционально в линейной зависимости в сливной трубопровод 17, поступающих от выходного трубопровода 14 ответвления и выходного патрубка 11 теплообменника 9. При этом происходит смешивание нагретого потока жидкости, идущего от блоков аппаратуры 7 через ответвление (трубопроводы 11, 15), и охлажденного потока жидкости, идущего с выходного патрубка 11 теплообменника 9. Так как процесс смешивания потоков охлаждающей жидкости происходит пропорционально в линейной зависимости, то система управления и контроля приводом крана-термостата 13 реализуется на базе простых принципов, что позволяет оптимизировать охлаждение блоков аппаратуры с заданной температурой с отклонением не более ±2°C без изменения конфигурации системы. При этом применение крана-термостата 13 позволяет регулировать температурный диапазон и рабочую температуру термостабилизации в отличие от термостатов с твердым наполнителем, имеющих заданный рабочий температурный диапазон и инертный нелинейный ход клапана из-за физических свойств материала наполнителя. Быстродействие системы с краном-термостатом 13 на резкое повышение температуры охлаждающей жидкости после прохождения блоков аппаратуры выше, чем при использовании термостатов с твердым наполнителем.
Осуществление полезной модели обеспечивает залив контура и слив охлаждающей жидкости из него без реверсирования движения потока жидкости, и адаптивно оптимизирует охлаждение блоков аппаратуры с различными режимами термостабилизации без изменения конфигурации системы.