КОРПУС ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
CASE FOR ELECTRONIC EQUIPMENT

Предлагается устройство конструкции корпуса электронной аппаратуры, а именно малогабаритного бортового электронного блока управления, сбора и обработки данных с высоким энергопотреблением, предназначенного для ответственных применений в жестких условиях эксплуатации, в том числе на орбитальных космических аппаратах и орбитальных космических станциях.
Наиболее близким аналогом является патент на полезную модель RU 87599 U1 от 10.10.2009, в котором раскрыт корпус прибора, у которого на двух противолежащих сторонах корпуса выполнены радиаторы в виде оребрения с отверстиями, а на двух других противолежащих сторонах - отверстия под интерфейсы и органы управления электронной аппаратурой. При этом внутри корпуса в виде прямоугольного параллелепипеда имеется прикрепленная стенка, одна сторона которой служит для закрепления электронных компонентов, а другая представляет собой радиатор с установленным на нем вентилятором охлаждения. Кроме того, в корпусе в виде прямоугольного параллелепипеда также имеются отверстия для закрепления электронных компонентов. Недостатком данного технического решения является сложность установки в него электронной аппаратуры и недостаточное охлаждение электронной аппаратуры в условиях невесомости и космического вакуума (в условиях космического вакуума должно быть исполнение с опцией без вентиляторов).
Технический результат заключается в устранении указанных выше недостатков, а именно в упрощении установки в корпус различной электронной аппаратуры и улучшении охлаждения электронной аппаратуры.
Технический результат достигается тем, что корпус электронной аппаратуры включает две металлические части в виде прямоугольного полого параллелепипеда, у каждой из которых с одного основания в вершинах выполнены фланцы с отверстиями для соединения данных частей посредством крепежного инструмента,
при этом правая и левая внешние боковые стенки (расположенные друг напротив друга) прямоугольного полого параллелепипеда каждой металлической части корпуса представляют собой внешние радиаторы в виде множества параллельных ребер охлаждения (количество ребер может быть разным), а на передней и задней стенках параллелепипеда выполнены отверстия под интерфейсы и органы управления электронной аппаратурой и контроля состояния электронных систем,
кроме того, между параллельными ребрами охлаждения как в правой, так и левой боковых стенок параллелепипеда, по меньшей мере, одной металлической части корпуса выполнены, по меньшей мере два горизонтальных ряда вентиляционных отверстий с защитной сеткой, установленной с внутренней стороны стенки корпуса, а между двумя соседними рядами вентиляционных отверстий с защитной сеткой с каждой стороны части корпуса выполнены отверстия для установки внутри данной металлической части кронштейнов-направляющих и закрепления в них модуля сменного винчестера, выполненного в ударопрочном, полностью закрытом плоском алюминиевом корпусе, под который на передней стенке параллелепипеда выполнена соответствующая прорезь,
также в, по меньшей мере, одной металлической части корпуса в виде прямоугольного полого параллелепипеда выполнена заодно с данной частью горизонтальная стойка для закрепления электронных компонентов с одной стороны и радиатор из множества параллельных ребер охлаждения с установленными на нем вентиляторами для принудительного охлаждения - с другой стороны,
а верхняя и/или нижняя стенки оснований прямоугольного полого параллелепипеда имеют отверстия для присоединения электронной аппаратуры, выполнены съемными и имеют посадочные отверстия для присоединения корпуса к внешним посадочным местам на месте его установки.
Предпочтительно корпус изготавливать из алюминиевого сплава АК6.
Для обеспечения безопасности оператора необходимо чтобы все параллельные ребра охлаждения имели радиусы скругления не менее 2 мм.
Для организации быстрого переноса тепла от тепловыделяющих элементов электронных компонентов к боковым стенкам корпуса, на которых расположены внешние радиаторы, используются твердотельные теплоотводы (не показаны), закрепляемые приклеиванием (используя клей ВК-9Т или эласил) к внутренней стороне радиатора на тепловыделяющих элементах электронных компонентов и внутренних стенках корпуса. Твердотельные теплоотводы получают из композита формой в виде уголка, толщиной порядка 2-3 мм. Данные твердотельные теплоотводы получают методом спекания алмазных микропорошков с размером 1-10 мкм при давлениях более 6 ГПа и температурах более 1500°C.
Кроме того предпочтительно на внешние поверхности корпуса наносить терморегулирующее покрытие: грунтовку ВЛ-02, цвет черный и эмаль АК-243 черная.
Также на верхней стенке корпуса может быть установлен съемный кронштейн для закрепления на нем монитора или TFT-панели (не показан).
Также предпочтительно на внутренние поверхности корпуса (а также и на внешние поверхности, когда на некоторые места внутренних поверхностей невозможно нанести из-за использования их для организации каналов отвода тепла), за исключением поверхностей, используемых для организации каналов для отвода тепла, наносить многослойную пленочную структуру, состоящую из чередующихся слоев с высокой магнитной проницаемостью на основе сплавов никель - железо и слоев с высокой электрической проводимостью - медь.
В посадочные отверстия, верхней и/или нижней стенки оснований предпочтительно устанавливать втулки с внутренней резьбой, выполненные из титана, для обеспечения тепловой изоляции корпуса от посадочной поверхности.
В верхней и/или нижней стенках оснований прямоугольного полого параллелепипеда предпочтительно выполнять окантовочные бортики для фиксации металлических частей в виде прямоугольного полого параллелепипеда в горизонтальном положении при их сочленении.
Заявленное техническое решение поясняется фиг.1-10:
- на фиг.1-показан модуль, предназначенный для установки съемного узла питания вид сверху;
- на фиг.2 - показан готовый (полностью собранный) модуль, предназначенный для установки съемного узла питания;
- на фиг.3 - показан модуль, предназначенный для установки съемного узла питания, вид снизу;
- на фиг.4 - показан модуль, предназначенный для установки одноплатного компьютера (МОПК), вид сверху;
- на фиг.5 - показан модуль, предназначенный для установки одноплатного компьютера (МОПК), вид сбоку;
- на фиг.6 - модуль, предназначенный для установки одноплатного компьютера (МОПК), вид снизу;
- на фиг.7 - показан модуль, предназначенный для установки одноплатного компьютера (МОПК), вид сбоку;
- на фиг.8 - показан общий вид корпуса электронной аппаратуры;
- на фиг.9 - показан модуль, предназначенный для установки одноплатного компьютера (МОПК), вид, показывающий установку кронштейнов-направляющих и закрепления в них модуля сменного винчестера;
- на фиг.10 - показан модуль сменного винчестера.
На фиг.1-10 обозначены следующие позиции:
1. Внешние радиаторы
2. Болты соединительные
3. Гайки сферические
4. Модуль сменного винчестера
5. Съемный узел питания
6. Серийно выпускаемые модули вторичного питания
7. Посадочные места - титановые втулки
8. Бортик окантовочный
9. Внутренний теплоотвод-радиатор
10. Вентиляторы
11. Одноплатный компьютер
12. Вентиляционные отверстия
13. Кронштейны-направляющие под модуль сменного винчестера.
Корпус представляет собой модульную конструкцию, состоящую, по меньшей мере, из двух модулей (может двух-четырех модулей) в виде прямоугольного полого параллелепипеда, скрепляемых между собой посредством крепежных элементов. Корпус изготавливают из алюминиевого сплава повышенной теплопроводности АК6.
Корпус, показанный на фиг.1-9, представляет собой двухмодульную конструкцию, включающую:
- первую часть - модуль, предназначенный для установки одноплатного компьютера (МОПК) (фиг.4-7 и 9);
- вторую часть - модуль, предназначенный для установки съемного узла питания (МП) (фиг.1-3).
При сборке эти две части образуют единую конструкцию - моноблок (фиг.8). Вышеуказанные две части с одного основания имеют фланцы, которые скрепляются между собой с помощью четырех болтов соединительных (2), и четырех сферических гаек (3), в результате чего образуется единая конструкция корпуса.
Предлагаемый корпус предназначен для размещения высокопроизводительной компьютерной системы, основанной на базе серийно выпускаемых одноплатных компьютеров (11) - малогабаритных процессорных модулей в форматах Micro PC, PC/104, РС/104-Plus, PCIe/104, PCI/104 (или специально разработанных процессорных модулей для особых условий эксплуатации), съемного узла питания (5), выполненного на базе серийно выпускаемых модулей вторичного питания (6), модуля сменного винчестера, выполненного на базе серийно выпускаемых сменных накопителей памяти (например, твердотельный диск) или специально разработанных модулей памяти для особых условий эксплуатации.
Кроме того, предлагаемый корпус может включать модуль расширения (не показан) в виде аналогичного полого параллелепипеда, имеющий фланцы со стороны верхнего и нижнего оснований и который ставится между первой и второй частями корпуса и скрепляется с ними также с помощью четырех винтов соединительных и четырех сферических гаек.
В предлагаемый корпус устанавливаются компьютерные системы, предназначенные для работы в составе других бортовых систем и оборудования в условиях жестких эксплуатационных воздействий и в том числе в необслуживаемом (дистанционно управляемом) режиме.
Конструкции каждого из модулей корпуса: МОПК, МП и модуля расширения представляют собой прямоугольный полый параллелепипед, у которого в передней и задней стенках имеются отверстия для разъемов и органов управления и контроля состояния электронных систем, правая и левая боковые стенки представляют собой внешние радиаторы (1), в виде множества параллельных ребер охлаждения (ребра могут располагаться горизонтально или вертикально, как показано на фиг.1-9). При этом между внешними параллельными ребрами охлаждения как в правой, так и в левой боковых стенках МОПК выполнены, по меньше мере, два горизонтальных ряда вентиляционных отверстий (ВО) (12) с защитной сеткой (ЗС), установленной с внутренней стороны. При этом между двумя соседними рядами вентиляционных отверстий (ВО) с защитной сеткой (ЗС) выполнен ряд отверстий для установки внутри модуля кронштейнов-направляющих (13) и закрепления в них модуля съемного винчестера. Кроме того, в каждом из модулей корпуса электронной аппаратуры (предпочтительно в МОПК) выполнена заодно с данной частью корпуса горизонтальная стойка для закрепления электронных компонентов с одной стороны и теплоотводом-радиатором (TP) (9) из множества параллельных ребер охлаждения с установленными на нем вентиляторами (10) для принудительного охлаждения - с другой стороны.
TP выполнен в виде плоской пластины с одной стороны которой выполнен радиатор из множества параллельных ребер охлаждения (см. фиг.4-6). TP содержит отверстия, позволяющие устанавливать со стороны радиатора, по меньшей мере, два вентилятора для обеспечения «горячего» резервирования. В конструкции МОПК и МП верхняя и/или нижняя стенки оснований (противоположные сторонам основания, имеющего фланцы) могут быть выполнены съемными и иметь посадочные отверстия, в которые можно устанавливать втулки с внутренней резьбой, выполненные из титана (7), для присоединения каждого модуля к внешним посадочным местам (фиг.3). В случае выполнения верхней и/или нижней стенки оснований (противоположные сторонам основания, имеющего фланцы) соответственно МОПК и МП съемными, то данные верхняя и/или нижняя стенки прикрепляются к модулям крепежными элементами, например винтами, проходящими насквозь верхней стенки и входящими в отверстия с резьбой во внутренних четырех утолщениях внутри параллелепипеда, как это показано на фиг.7 (для наглядности верхняя прикрепляемая стенка на фиг.7 не показана). Кроме того, верхняя и/или нижняя стенки оснований (противоположные сторонам основания, имеющего фланцы) соответственно МОПК и МП могут иметь отверстия для присоединения внутренних вертикальных стоек, на которых располагается дополнительный ярус электронных плат.
У каждого модуля сверху и снизу предпочтительно выполнять окантовочные бортики (8) для фиксации модулей в горизонтальном положении при их сочленении и обеспечения недопущения их смещения при перегрузках в горизонтальном направлении.
Все вышеуказанные элементы корпуса предлагается выполнить из сплава алюминия с повышенной теплопроводностью в виде единой фрезерованной конструктивной детали (или при многосерийном производстве - литьем, что значительно удешевляет изготовление).
В таблицах 1-3 представлены основные механические и физические характеристики наиболее известных и доступных теплопроводящих алюминиевых сплавов. Анализ характеристик, приведенных в этих таблицах 1-3, показал, что наиболее предпочтительными в части теплопроводности материалами для изготовления несущих конструкций модулей предлагаемого корпуса являются алюминиевые сплавы АК6 и АД31. Однако у сплава АД31 самый маленький предел кратковременной прочности (250 МПа), поэтому для изготовления предлагаемого корпуса предлагается применять сплав АК6, который сочетает в себе высокую теплопроводность и высокую механическую прочность. Данный сплав широко используется для ответственных силовых деталей авиационной техники, в частности в крыльях пассажирских самолетов.
Таблица 1
Классификация и применение алюминиевых сплавов, обладающих повышенной теплопроводностью
Марка сплава
Классификация
Применение
АК8
Алюминиевый деформируемый сплав
Для изготовления высоконагруженных деталей самолетов; для деталей, работающих в условиях криогенных температур
АК6
Алюминиевый деформируемый сплав
Для изготовления сложных штамповок
АД31
Алюминиевый деформируемый сплав
Для изготовления деталей невысокой прочности и высокой коррозионной стойкости, работающих в интервале от минус 70 до 50°C
АД33
Алюминиевый деформируемый сплав
Для изготовления деталей средней прочности и высокой коррозионной стойкости, работающих в интервале от минус 70 до 50°C, во влажной атмосфере и морской воде
АМГ6
Алюминиевый деформируемый сплав
Для изготовления полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации, а также слитков и слябов; коррозионная стойкость высокая
Таблица 2Механические свойства (при Т=20°C) алюминиевых сплавов, обладающих повышенной теплопроводностью
Марка сплава
Твердость по Бринеллю НВ 10<sup>-1</sup>, МПа
Предел кратковременной прочности, МПа
Ударная вязкость, кДж/м<sup>2</sup>
АК8
110-120
490
АК6
95-100
447
190
АД31
80 МПа
250
500
АДЗЗ
80 МПа
320
300
АМГ6
65 МПа
355
Таблица 3
Физические свойства алюминиевых сплавов, обладающих повышенной теплопроводностью
Марка
Температура,
Коэффициент
Удельное
Плотность
Удельная
сплава
при которой
теплопровод-
электросопро-
материала,
теплоемкость
получены
ности
тивление
кг/м<sup>3</sup>
материала
данные
(теплоемкость
R 10<sup>9</sup>, Ом·м
(диапазон
свойства, градус
материала), Вт/(м·град)
20° - Т), Дж/(кг·град)
АК8
20
43
2800
100
168
838
АК6
20
41
2750
100
180
838
АД31
20
34,4
2710
100
188
921
АД33
20
43,8
2710
100
151
945
АМГ6
20
67,3
2640
100
122
922
В целях обеспечения безопасности, боковые стенки, представляющие собой внешние радиаторы, каждого из модулей должны иметь радиусы скругления не менее 2 мм.
Для создания оптимальных тепловых режимов в конструкции предлагаемого корпуса должно быть предусмотрено активное охлаждение потоком воздуха и пассивное кондуктивное охлаждение за счет естественной теплопроводности (системы кондуктивного охлаждения в виде радиаторов). Конструкция корпуса МОПК предусматривает наличие теплоотвода-радиатора (TP), позволяющего устанавливать на него вентиляторы, работающие в «горячем» резерве. Данные вентиляторы производят циркуляцию потока воздуха, поступающего внутрь корпуса МОПК через вентиляционные отверстия (ВО) с защитной сеткой (ЗС), направляя его по каналам TP, образованным ребрами радиатора, обеспечивая таким образом принудительное охлаждение путем обдува воздухом как самого TP, так и правой и левой боковых стенок, представляющих собой внешние радиаторы корпуса МОПК одновременно. Через ВО, находящиеся напротив каналов TP, происходит выдув потока воздуха, а через ВО, расположенные ниже, - вдув (либо, наоборот, зависит от того, каким образом работает вентилятор на вдув или на выдув). Такой способ охлаждения, в отличие от способа, основанного на применении тепловых труб (как это сделано в электронных модулях производства фирмы RTD Embedded Technologies, Inc., США), позволяет более эффективно отводить тепло от тепловыделяющих элементов процессорной платы в условиях невесомости, когда отсутствует естественная конвекция. Также необходимо отметить, что возможность применения тепловых труб на модулях орбитальных космических станций и орбитальных космических аппаратах, где находятся космонавты, в соответствии с требованиями безопасности ограничена и зависит от состава теплоносителя, используемого в тепловых трубах. Таким образом, в данной конструкции корпуса, работающего при экстремальных значениях температуры окружающей среды, используется сочетание активного охлаждения системной среды (атмосфера и конструктив корпуса) и пассивного кондуктивного теплоотвода.
Дополнительно, для организации быстрого переноса тепла от тепловыделяющих элементов электронных компонентов к боковым стенкам корпуса МОПК, на которых размещены радиаторы, предлагается использовать специально организованные эффективные каналы для кондуктивного отвода тепла - твердотельные теплоотводы (ТТ) (вместо широко используемых тепловых труб), получаемые методом спекания алмазных микропорошков с размером от 1 до 10 мкм при давлениях более 6 ГПа и температурах более 1500°C.Такие теплоотводы обладают высокими прочностными характеристиками (прочность на разрушение может достигать 3,5 ГПа) и высокими значениями теплопроводности (350-450 Вт/(м·К)). Данные теплоотводы крепятся к тепловыделяющим элементам и внутренним стенкам корпуса на клей ВК-9 или теплопроводящий клей-герметик эласил-242.
s
n
На внешние поверхности модулей, входящих в состав корпуса для обеспечения определенных тепловых радиационных характеристик A не менее 0,95 и ε не менее 0,92 наносится терморегулирующее покрытие (например, грунтовка ВЛ-02, цвет черный и эмаль АК-243 черная), что обеспечивает более эффективную теплоотдачу.
Конструкция МОПК предусматривает возможность установки (на верхней съемной стенке МОПК) съемного кронштейна для закрепления на нем монитора или TFT-панели.
Для обеспечения высокой эффективности экранирования в условиях повышенных требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) предлагается использовать экран, представляющий собой многослойную пленочную структуру, состоящую из чередующихся слоев с высокой магнитной проницаемостью (на основе сплавов никель - железо) и слоев с высокой электрической проводимостью (медь). МПЭ предлагается наносить на внутренние поверхности модулей (за исключением поверхностей, используемых для организации каналов для кондуктивного отвода тепла) с помощью технологии электролитического осаждения.
Технология электролитического осаждения позволяет формировать МПЭ с требуемыми магнитными и электрическими характеристиками, количеством и толщиной отдельных слоев, обеспечивает высокую технологичность процесса, возможность формирования на корпусах сложной геометрической формы, обеспечивает жесткую фиксацию конструкции экрана.
Эффективность экранирования МПЭ значительно выше, чем у равных по толщине экранов из однослойных магнитомягких материалов, что позволяет снизить массу экранируемых блоков аппаратуры.
Для удобства оператора корпус электронной аппаратуры имеет на внешних поверхностях модулей предлагаемого корпуса кнопки и тумблеры для включения и выключения различных режимов работы, а также наличие светодиодной индикации для оперативной визуализации результатов контроля состояния электронных систем.
Конструкция МП предусматривает наличие съемного узла питания (плита из алюминия с установленными на ней серийно изготавливаемыми модулями вторичного питания, имеющими фланцы с посадочными местами и ортогональные выводы), который устанавливается на корпус МП на теплопроводящий клей-герметик эласил-242 и позволяет обеспечивать применение различных типов модулей вторичного питания (в зависимости от условий эксплуатации, энерговыделения и набора выдаваемых ими вторичных напряжений питания, радиационной стойкости и исполнения) без доработки конструкции корпуса МП.
На корпусе МП предусмотрены посадочные места, представляющие собой втулки с внутренней резьбой, выполненные из титана, для обеспечение тепловой изоляции корпуса электронной аппаратуры от посадочной поверхности, на которую он устанавливается, так как температура на посадочной поверхности может быть в диапазоне от минус 150°C до плюс 125°C.
Применение корпусов электронной аппаратуры в таком исполнении:
1. В условиях невесомости в герметичных обитаемых (повышенные требования по газовыделению) приборных отсеках модулей орбитальных космических станций (например, международная космическая станция) и орбитальных космических аппаратов (например, «ОКА-МКС») с верхней границей диапазона температур окружающей среды (воздуха) вплоть до плюс 60°C и потреблением ОПК вплоть до 30 Вт.
2. На борту мобильных или стационарных наземных автономных лабораторий и станций как устройство сбора данных и управления режимами работы комплексов бортовой аппаратуры в жестких условиях эксплуатации (жестких механических воздействий, невесомости, повышенной радиации и широком диапазоне температур окружающей среды (воздуха) от минус 40°C до плюс 60°C.
3. Для автомобильного, железнодорожного, воздушного и водного транспорта, в сельском хозяйстве или на объектах добычи и переработки сырья и энергоносителей.
4. На объектах атомной отрасли.