Шкаф для электронного оборудования и способ охлаждения электронного оборудования
ELECTRONIC EQUIPMENT CABINET AND ELECTRONIC EQUIPMENT COOLING METHOD

Область применения
Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к шкафам для электронного оборудования. Предназначена для размещения в ней электронного оборудования.
Уровень техники
Известен шкаф радиоэлектронной аппаратуры (RU 2211551) содержащий корпус, плиты, расположенные одна над другой и образующие горизонтальные секции, в которых размещены съемные блоки радиоэлектронной аппаратуры, систему теплоотвода, отличающийся тем, что система теплоотвода состоит 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 того исполнения, которое соответствует системе охлаждения, определяемой внешними условиями эксплуатации.
Недостатком такого шкафа является то, что при более тяжелых температурных условиях требуется установка пластины с дополнительными средствами охлаждения, что усложняет конструкцию шкафа и повышает его громоздкость.
Известен шкаф для размещения электронных компонентов (RU 168956) состоящий из набора вертикальных и горизонтальных стоек, образующих каркас шкафа, по меньшей мере, две вертикальные панели, выполненные из вертикальных и горизонтальных стоек и закрепленные в каркасе шкафа, при этом вертикальные панели каркаса содержат набор крепежных элементов для размещения между ними охлаждаемых электронных компонентов, по меньшей мере, один вертикальный канал подачи охлажденного хладоносителя и один вертикальный канал слива отепленного хладоносителя, при этом оба канала механически связаны между собой и используются в качестве элемента жесткости каркаса шкафа и каждый из них содержит, по меньшей мере, один фитинг с гибким шлангом на конце, соответствующим фитингу, расположенному на стороне охлаждаемых электронных компонент, впускное и выпускное отверстия в виде фитинга для подачи/слива хладоносителя.
Недостатком такого шкафа является сложное конструктивное исполнение шкафа, обусловленное наличием большого количества деталей в том числе наличием каналов для хладоносителя.
Известен шкаф для радиоэлектронной аппаратуры (DE2231469 A1), содержащий гофрированный теплообменник, образующий совместно с внутренней (нагретой) стенкой канал для циркуляции воздуха, нагретого аппаратурой, и передачи тепла его внутренней поверхности, образующей совместно с наружной (охлаждённой) стенкой канал для вентиляции его наружной поверхности атмосферным воздухом.
Недостатком данного шкафа является низкая эффективность охлаждения из-за использования гофрированного теплообменника.
Известен шкаф радиоэлектронной аппаратуры (SU1132377A1), содержащий внешние и внутренние обшивки, отсек для радиоэлектронной аппаратуры, образованный внутренней обшивкой и теплообменник.
Недостатками данного шкафа являются: сложная конструкция и громоздкость. А так же низкая эффективность охлаждения обусловленная влиянием внешних факторов, а именно значительным влиянием температуры окружающего воздуха, т.к. постоянно идёт засасывание нового атмосферного воздуха.
Известна система охлаждения для приборных и сетевых шкафов (RU2318299C2)  (взята за пртотип) с герметизированным внутренним пространством, в котором расположены электронные модули друг над другом, замкнутым контуром охлаждающего воздуха для отвода тепла потерь электронных модулей и воздушно-водяным теплообменником для охлаждения нагретого вытяжного воздуха контура охлаждающего воздуха, который расположен в нижней части шкафа и связан с приточным каналом и вытяжным каналом, вытяжной канал содержит первый участок для восходящего потока  вытяжного воздуха и второй участок для нисходящего потока вытяжного воздуха и предусмотрены воздуховод с воздушными путями одинаковой длины и тем самым одинаковыми сопротивлениями потока для отдельных электронных модулей, а также воздушно-техническое разделение между холодным приточным воздухом и нагретым вытяжным воздухом, и что обеспечивается приток холодного воздуха с единой температурой к отдельным электронным модулям.
Недостатками такой системы являются сложность функционирования системы, а так же громоздкость системы и сложное конструктивное исполнение, обусловленное наличием большого количества элементов, в том числе отдельных приточного и вытяжного каналов.
Краткое описание изобретения
Задачей заявленного изобретения является создание шкафа для электронного оборудования простой, с минимальным количеством деталей, конструкции с возможностью охлаждения электронного оборудования без дополнительных вентиляторов.
Технический результат изобретения «шкаф для электронного оборудования» заключается в упрощении конструкции шкафа для электронного оборудования при сохранении возможности охлаждения электронного оборудования. При этом охлаждение осуществляется за счет встроенных вентиляторов электронного оборудования. Упрощение конструкции шкафа, характеризуется минимальным количеством деталей шкафа и максимально эффективной (эргономичной) компоновкой шкафа для электронного оборудования, с сохранением возможности достаточного охлаждения электронного оборудования, расположенного в шкафу.
Технический результат достигается тем, что шкаф для электронного оборудования, содержащий внешние и внутренние стенки, воздушный канал, теплообменник, при этом внешняя стенка воздушного канала образована непосредственно внешними стенками шкафа, внутренняя стенка воздушного канала образована, по крайней мере, четырьмя вертикальными направляющими, и гранями электронного оборудования, теплообменник расположен в воздушном канале, разделяя его на два участка различных температур, при этом электронное оборудование закреплено на вертикальных направляющих с возможностью обеспечения течения воздуха по участкам воздушного канала через теплообменник за счет встроенных вентиляторов электронного оборудования.
Возможно выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором для формирования внутренней стенки воздушного канала дополнительно используют, по крайней мере, одна центральная стенка, выполненная в виде экрана.
Возможно выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором для формирования внутренней стенки воздушного канала дополнительно используют заглушки.
Возможно выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором длина участка высокой температуры воздуха в воздушном канале до теплообменника больше длины участка воздушного канала с низкой температурой после теплообменника.
Возможно выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором воздушный канал выполнен п-образным.
Возможно выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором теплообменник располагается по центру средней части п-образного воздушного канала.
Возможно выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором внешние стенки выполнены герметичными.
Возможно выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором в качестве теплообменника используется воздушно-водяной теплообменник.
Возможно выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором в качестве теплообменника используется жидкостный теплообменник.
Возможно выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором теплообменник расположен в воздушном канале, разделяя его на два участка различных температур таким образом, что вплотную прилегает к внешней и внутренней стенкам шкафа.
Технический результат изобретения «способ охлаждения электронного оборудования в шкафу для электронного оборудования» заключается в обеспечении охлаждения электронного оборудования в шкафу для электронного оборудования упрощенной конструкции (конструкции описанной выше) за счет встроенных вентиляторов электронного оборудования.
Технический результат достигается способом охлаждения электронного оборудования в шкафу для электронного оборудования, с помощью воздушного канала образованного непосредственно внешними стенками шкафа и по крайней мере четырьмя вертикальными направляющими, гранями электронного оборудования, включающем следующую последовательность операций: нагретый электронным оборудованием воздух подаётся в участок воздушного канала высокой температуры встроенными вентиляторами электронного оборудования из области расположения электронного оборудования, нагретый воздух охлаждается при прохождении его из участка высокой температуры в участок низкой температуры с помощью теплообменника, который вплотную прилегает к внешней и внутренней стенкам шкафа, охлажденный воздух затягивается вентиляторами электронного оборудования из участка низкой температуры воздушного канала в область расположения электронного оборудования, электронное оборудование охлаждается потоком охлажденного воздуха.
Возможно достижение заявленного результата способом охлаждения электронного оборудования в шкафу, в котором нагретый воздух охлаждается на 10-20 градусов в теплообменнике при прохождении его из участка высокой температуры в участок низкой температуры.
Возможно достижение заявленного результата способом охлаждения электронного оборудования в шкафу, в котором охлажденный воздух затягивается вентиляторами электронного оборудования из участка низкой температуры воздушного канала в область расположения электронного оборудования через рабочие отверстия в гранях электронного оборудования, образующих боковые-торцевые внутренние стенки совместно с заглушками.
Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.
На фигуре 1 изображен эскиз шкаф для электронного оборудования.
На фигуре 2 изображена схема движения воздуха внутри шкафа для электронного оборудования.
На фигуре 3 изображены конструктивные элементы шкафа для электронного оборудования.
На фигуре 4 изображены конструктивные элементы шкафа для электронного оборудования (вариант исполнения с заглушками).
Позиция 1 – внешние стенки;
Позиция 2 – вертикальные направляющие;
Позиция 3 – экран;
Позиция 4 – грани электронного оборудования;
Позиция 5 – заглушки;
Позиция 6 – теплообменник;
Позиция 7 – участок высокой температуры воздушного канала;
Позиция 8 – участок низкой температуры воздушного канала;
Позиция 9 – электронное оборудование;
Позиция 10 – встроенные вентиляторы;
Позиция 11 – область расположения электронного оборудования;
Позиция 12 – воздушный канал;
Шкаф для электронного оборудования содержит внешние стенки (1), выполненные из металла или полимерного или композитного материала, которые непосредственно являются внешними стенками (1) воздушного канала (12). Шкаф для электронного оборудования так же содержит внутренние стенки в одном из вариантов исполнения, выполненные по крайне мере четырьмя вертикальными направляющими (2) и гранями (4) электронного оборудования. В другом варианте исполнения внутренние стенки, выполнены шестью вертикальными направляющими (2) и гранями (4) электронного оборудования. Количество вертикальных направляющих (2) зависит от требования крепления к ним (2) электронного оборудования (9) и требования к образуемой ими (2) и гранями (4) электронного оборудования внутренней поверхности воздушного канала (то есть требованиями предъявляемыми к конфигурации внутренней стенки воздушного канала (12)) . Еще  шкаф для электронного оборудования содержит теплообменник (6), который  может быть выполнен водяным, гликолевым или фреоновым, расположен в воздушном канале (12); воздушный канал (12), состоящий из двух участков различных температур: участка высокой температуры (7) и участка низкой температуры (8). Разность температур в канале (12), обусловлена тем, что в одной части канала (7) воздух нагрет электронным оборудованием (9), а в другой части канала (8) воздух охлажден теплообменником (6). В третьем варианте исполнения внутренние стенки образованные четырьмя вертикальными направляющими (2), выполненными из металла или полимерного или композитного материала, экран (3), который представляет из себя пластиковую или карбоновую или металлическую панель, гранями электронного оборудования (4); при этом электронное оборудование (9) закреплено на вертикальных направляющих (2) с возможностью обеспечения течения воздуха по участкам воздушного канала (12) через теплообменник (6) за счет встроенных вентиляторов (10) электронного оборудования (9).
Преимущественно в качестве электронного оборудования со встроенными вентиляторами могут использоваться источники бесперебойного питания (ИБП), коммутаторы, дисковые массивы.
Выполнение в шкафу для электронного оборудования внешних стенок (1), которые непосредственно являются внешними стенками воздушного канала (12) и внутренних стенок, образованных по крайне мере четырьмя вертикальными направляющими (2) и гранями (4) электронного оборудования, с образованием между внутренними и внешними (1) стенками воздушного канала (12) позволяет сократить количество деталей, а так же повысить надежность конструкции шкафа для электронного оборудования так, как нет дополнительных стенок (кожухов, обводных и направляющих воздушных каналов), которые служат для образования воздушного канала (12). При этом выполнение в шкафу для электронного оборудования внешних (1) и внутренних стенок с образованием между ними воздушного канала (12) позволяет снизить массу шкафа. Таким образом, обеспечивается технический результат - упрощение конструкции шкафа. Необходимо отметить еще и то, что воздушный канал (12), образованный между внутренними и внешними (1) стенками, простирается на всю высоту шкафа, что позволяет воздуху от электронного оборудования (9) без значительного сопротивления двигаться по воздушному каналу (12) и охлаждать электронное оборудование, находящееся в шкафу. Эта особенность конструкции необходима для циркуляции воздуха в шкафу для электронного оборудования за счет встроенных вентиляторов (10).
Расположение теплообменника (6) внутри воздушного канала (12), в частности его вертикальное крепление к экрану (3) и к внутренней стороне одной из внешних стенок (1), следовательно его плотное прилегание к внешним (1) и внутренним стенкам, позволяет значительно упростить конструкцию шкафа для электронного оборудования так, как нет специальных зон, площадок и элементов конструкции, необходимых для качественного креплениями теплообменника (6) в шкафу. В нашем случае теплообменник (6) естественным образом располагается в воздушном канале и крепится простыми (стандартными) креплениями к уже существующему экрану (3) и одной из внешних стенок. Помимо того, такое расположение теплообменника (6) является эргономичным, т.е. оптимальным вариантом использования внутреннего пространства шкафа для электронного оборудования, что так же подтверждает реализацию технического результата упрощения конструкции. А так же такое расположение теплообменника (6) позволяет снять ограничения на габариты теплообменника (6), так как теплообменник (6) может быть выполнен во всю высоту шкафа и ширину экрана (3), что позволяет использовать встроенные вентиляторы (10) электронного оборудования для циркуляции воздуха.
Выполнение воздушного канала (12), состоящим из двух участков: участка низкой температуры (7) и участка высокой температуры (8) позволяет выбрать оптимальную ширину канала в участках высокой (7) и низкой температуры (8). При этом деление на два участка воздушного канала (12) определяет геометрию расположения электронного оборудования (9) в шкафу, так становиться ясно в каком направлении располагается электронное оборудование (9), а именно направление, куда должны подавать воздух встроенные вентиляторы (10). Все это влияет на технический результат упрощение конструкции так, как прямым образом влияет на эргономику расположения элементов конструкции шкафа и электронного оборудования (9) в нем. Возможность циркуляции воздуха в шкафу для электронного оборудования обеспечивается за счёт встроенных вентиляторов (10) электронного оборудования, а так же за счет наличия в воздушном канале (12) участков высокой (7) и низкой температур (8).
Использование в качестве внутренних стенок вертикальных направляющих (2), экрана (3) и граней (4) электронного оборудования позволяет существовавшим ранние элементам (выше перечисленным 2, 3, 4) выполнять функцию внутренней стенки воздушного канала (12), что позволяет исключить как токовую необходимость в дополнительном элементе конструкции (кожухе, стенки воздушного канала), что прямым образом влияет на технических результат упрощение конструкции, так как существовавшие ранее детали (2, 3, 4) (в прототипе) дополнительно выполняют еще одну функцию и заменяют другие детали, ранее выполнявшие данную функцию. В отличии от прототипа нет боковых стенок, остался только экран (3), при этом в некоторых случаях, когда электронное оборудование (9) имеет собственных корпус, потребность в экране (3) отпадает так, корпус выполняет электронного оборудования (9) выполняет функцию экрана (3).
При этом важным является геометрия закрепления электронного оборудования (9) в шкафу на вертикальных направляющих (2) с возможностью обеспечения течения воздуха по участкам воздушного канала (12) через теплообменник (6) за счет встроенных вентиляторов (10) электронного оборудования. Для того чтобы обеспечить такое течение воздуха, необходимо заранее учитывать зазоры между электронным оборудованием (9), расположение электронного оборудования (9), относительно выброса воздуха встроенным вентиляторами (10) и геометрию (вертикальная горизонтальная ориентация электронного оборудования, относительно вертикальных направляющих) закрепления электронного оборудования (9). Это является важным так, как создаются условия для циркуляции воздуха за счет встроенных вентиляторов (10) и обеспечивается сокращение количества деталей шкафа для электронного оборудования, что подтверждает реализацию технического результата упрощение конструкции шкафа.
Выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором длина участка высокой температуры (7) воздушного канала больше длины участка низкой температуры (8) воздушного канала позволяет эргономично использовать внутреннее пространство шкафа с эффективным охлаждением воздуха в теплообменнике (6) и на внешних (1) и внутренних стенках, что влияет на количество деталей шкафа для электронного оборудования.
Выполнение воздушного канала (12) п-образным простотой сборки внешних (1) и внутренних стенок так, как профили стенок преимущественно плоские и, следовательно, в некоторых случаях будет использовано минимальное количество крепежных деталей, что влияет на технический результат упрощение конструкции.
При этом необходимо отметить то, что профиль воздушного канала (12) зависит от внутренних и внешних стенок (1), поэтому в случаях, когда стенки будут иметь форму отличную от плоскости (например: вертикальные направляющие скруглены, внешние округлые стенки, экран виде дуги и т.д.) воздушный канал (12) то же изменить свой профиль.
Одним из эргономичных вариантов расположения теплообменника (6) является выполнение шкафа для электронного оборудования, в котором теплообменник (6) располагается по центру средней части п-образного воздушного канала (12).
Выполнение внешних стенок (1) герметичными позволяет организовать безвихревое движение воздушного потока внутри воздушного канала (12). Что влияет на возможность осуществления охлаждения за счет встроенных вентиляторов (10) электронного оборудования.
В зависимости от конфигурации шкафа для электронного оборудования могут использовать воздушно-водяной теплообменник (6) или жидкостный теплообменник (6). Выбор типа теплообменника (6) зависит от типа устанавливаемого электронного оборудования (9).
Использование в качестве внутренних стенок заглушек (5) необходимо в случае не полного комплекта устанавливаемого электронного оборудования (9), что бы обеспечить возможность плавного безвихревого течения воздуха из воздушного канала (12) в область расположения (11) электронного оборудования и из области расположения (11) электронного оборудования в воздушный канал (12).
Охлаждения электронного оборудования в шкафу для электронного оборудования осуществляется по следующему способу: при включении электронного оборудования (9) запускаются встроенные вентиляторы (10) и создаётся поток воздуха, текущий из участка высокой температуры (нагретого воздуха) (8) воздушного канала (12) в участок низкой температуры (7) воздушного канала (12), в области расположения (11) электронного оборудования. Далее нагретый электронным оборудованием (9) воздух подаётся в участок воздушного канала высокой температуры (7) встроенными вентиляторами (10) электронного оборудования из области расположения (11) электронного оборудования. После чего нагретый воздух проходя через теплообменник (6) , который вплотную прилегает к внешней и внутренней стенкам шкафа, где охлаждается, и далее поступает в участок низкой температуры (8) воздушного канала. Затем охлажденный воздух подаётся из участка низкой температуры (8) воздушного канала в область расположения (11) электронного оборудования. И в конце электронное оборудование (9) охлаждается потоком воздуха в области расположения (11) электронного оборудования.
Для охлаждения электронного оборудования (9) в шкафу для электронного оборудования упрощенной конструкции за счет встроенных вентиляторов (10) электронного оборудования необходимо осуществление четырех последовательных операций, каждая из которых влияет на достижение заявленного технического результата.
Подача нагретого воздуха в участок воздушного канала высокой температуры (7) встроенными вентиляторами (10) электронного оборудования из области расположения (11) электронного оборудования обеспечивает перетекание воздуха по воздушному каналу (12), а так же создает область повышенного давления в участке (7) высокой температуры воздушного канала и область пониженного давления в области (11) расположения электронного оборудования. При этом это позволяет без дополнительного воздействия обеспечить перетекание воздуха через теплообменник из участка высокой температуры (7) в участок низкой температуры (8) воздушного канала.
Охлаждение нагретого воздуха внутри теплообменника (6) позволяет обеспечить поступление охлажденного воздуха к электронному оборудованию (9) для последующего охлаждения электронного оборудования (9). А его (6) плотное прилегание к внешним (1) и внутренним стенкам обеспечивает то, что весь нагретый воздух проходит через теплообменник и, следовательно, охлаждается.
Затягивание охлажденного воздуха из участка низкой температуры (8) воздушного канала в область расположения (11) электронного оборудования происходит за счет того, что перед вентиляторами (10) создается область разряженного воздуха (низкого давления), что обеспечивает создание потока охлажденного воздуха, используемого для охлаждения электронного оборудования (9).
Охлаждается электронное оборудование (9) потоком воздуха в области расположения (11) электронного оборудования, что в совокупности со всеми перечисленными выше операциями обеспечивает заявленный технический результат.
Охлаждение нагретого воздуха на 10-20 градусов в теплообменнике (6) при прохождении его из участка (7) высокой температуры в участок (8) низкой температуры позволяет обеспечить поступление достаточно охлажденного воздуха к электронному оборудованию (9) для последующего его (9) охлаждения. А так же определенное охлаждения воздуха (на 10 – 20 градусов цельсия) в теплообменнике (6) влияет на габариты теплообменника (6) и эффективность охлаждения электронного оборудования (9) в шкафу. Знание габаритов (размеров) теплообменника (6) позволяет подобрать к нему необходимое крепление, с минимальным количеством деталей входящих в состав этого крепления.
Затягивание охлажденного воздуха встроенными вентиляторами (10) электронного оборудования из участка низкой (8) температуры воздушного канала в область (11) расположения электронного оборудования через рабочие отверстия в гранях (4) электронного оборудования, образующих боковые-торцевые внутренние стенки совместно с заглушками (5), позволяет обеспечить охлаждения электродного оборудования (9), в случаи, когда шкаф не полностью укомплектован электронным оборудованием (9), а пробелы во внутренних стенках закрыты заглушками (5).
Таким образам заявленное изобретение «шкаф для электронного оборудования» значительно упрощает конструкцию шкафа для электронного оборудования при сохранении возможности охлаждения электронного оборудования. При этом упрощение конструкции шкафа, происходит за счет уменьшения количества необходимых деталей шкафа и эффективной компоновкой деталей конструкции шкафа и электронного оборудования в шкафу для электронного оборудования, с сохранением возможности достаточного охлаждения электронного оборудования.
При этом заявленное изобретение «способ охлаждения электронного оборудования в шкафу для электронного оборудования» обеспечивает охлаждение электронного оборудования в шкафу для электронного оборудования упрощенной конструкции за счет встроенных вентиляторов электронного оборудования.
В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.