專利名稱：機柜的散熱方法及溫控結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及散熱技術(shù)，特別是指應用于通信設(shè)備室外型機柜的散熱方法及溫控結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，通信設(shè)備室外型機柜一般包括箱體，室外型是指沒有氣候防護(即沒有溫控)的應用場所。人們都知道，通信設(shè)備室外型機柜所處環(huán)境惡劣，溫濕度變化范圍大，并且還可能有強烈的太陽光輻射，并要滿足三防要求(防腐蝕、防鹽霧、防潮濕)和外殼防護要求，室外型機柜一般都是密閉型的，這些都給機柜的散熱設(shè)計帶來很大困難。通常，通信設(shè)備所用器件溫度范圍一般為商業(yè)級即0～70℃，過低或過高溫度將極大降低器件可靠性壽命，甚至使設(shè)備無法正常運行。
目前，常見的通信設(shè)備室外型機柜的散熱方法有室外型空調(diào)方法，參見圖1，將一空調(diào)2置于機柜10頂部，空調(diào)2設(shè)有風扇3，或者，也可置于機柜10側(cè)面，以一通風管與機柜10內(nèi)部風道相通，并且空調(diào)2的內(nèi)外循環(huán)風道相互隔離。使用這種方案，可以實現(xiàn)很好的高低溫特性。但此種方法存在下列不足之處一、使用成本和維修成本都很高。
二、空調(diào)2的壓縮機等關(guān)鍵部件可靠性不是很高，使得這種散熱制冷方法可靠性不能得到保證。
三、由于采用了空調(diào)裝置，其壓縮機在工作時，不可避免地存在噪聲大的問題。
四、空調(diào)裝置的體積龐大，不便于運輸和安裝，特別是當室外環(huán)境偏僻且惡劣的情況下，更加增加了運輸和安裝的難度。
五、由于空調(diào)裝置需要外接電源供電，而偏僻地區(qū)可能根本無法提供所需電源，所以這種散熱方法的使用受到供電條件及使用地域的限制，十分不便。
另一種散熱方法是采用熱交換器，用熱交換器代替空調(diào)。低溫時用加熱器，高溫時用熱交換器，兩者共同組成一個溫控單元。該方法雖然高溫散熱性能比空調(diào)型稍差，但可靠性有所提高，并且成本也有所降低，但該方法仍然存在著前述空調(diào)型溫控的各項不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種機柜的散熱方法及溫控結(jié)構(gòu)，其能夠解決目前室外型機柜高溫散熱技術(shù)的高成本、高噪聲、低可靠性和大體積的缺點，散熱簡單高效。
本發(fā)明的設(shè)計原理所謂相變材料(PCMPhase Change Materials)是指因外界溫度變化到某一點會發(fā)生相變(固態(tài)到液態(tài)或者液態(tài)到氣態(tài))的材料。相變材料具有很大的潛熱，其材料經(jīng)常應用的是鹽類(如氫氧化鈉)、石蠟等，當它發(fā)生相變，從固態(tài)到液態(tài)的融化過程中將吸收巨大的熱量，從而可用于散熱，從液態(tài)到固態(tài)的凝固過程將釋放巨大的熱量，可用于低溫下放熱進行溫度控制。由于PCM一般具有無毒、不燃燒的特性，在加入某種添加劑(為公知技術(shù))后，具有較高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能反復使用幾千次。
考慮到相變材料本身的特性，將其應用于室外型機柜進行散熱就需要滿足以下條件(1)晝夜溫差較大，平均溫度一般要求低于PCM相變點3～5℃；(2)密閉型機柜，單層壁或者雙層壁以上；(3)機柜內(nèi)設(shè)備功耗不大，如果持續(xù)工作，一般要求低于50W；(4)機柜內(nèi)設(shè)備功耗較大，但為間斷工作，間斷時間一般要求大于半小時。
由于本發(fā)明通信設(shè)備室外型機柜，如工作箱和蓄電池箱，能夠滿足以上應用特點，它們均為室外型使用的小機柜，外殼密封型，機柜內(nèi)功耗很低。因此，基于以上設(shè)計原理，本發(fā)明的通信設(shè)備室外型機柜的散熱方法，其特征在于，將相變材料設(shè)置于室外型機柜內(nèi)，該相變材料具有與室外型機柜工作溫度范圍相適應的相變點，當機柜內(nèi)溫度達到該相變點時，相變材料發(fā)生相變，通過相變材料的相變吸熱來進行機柜的散熱。并且，當機柜內(nèi)溫度低于相變點時，還可以在一定程度上通過相變材料的相變放熱供機柜加熱。
本發(fā)明的機柜溫控結(jié)構(gòu)，包括具有容置空間的室外型機柜主體，其特征在于，該室外型機柜主體內(nèi)設(shè)置有相變材料。當機柜內(nèi)溫度達到該相變點時，相變材料發(fā)生相變會吸收大量熱量，從而可進行散熱；當溫度低于相變點時，相變材料發(fā)生相變釋放大量熱量，從而，也具有較好的低溫特征。
所述室外型機柜為蓄電池箱或基站附屬設(shè)備工作箱。
根據(jù)上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果(1)室外型機柜應用PCM，當外界環(huán)境溫度升高或者太陽強烈照射下，可以延緩內(nèi)部溫度上升，升溫時PCM延時作用對于內(nèi)部空氣和蓄電池外殼大約分別為3h和5h，效果明顯。
(2)模擬外界環(huán)境實際應用時，即日溫度變化試驗，當外界環(huán)境溫度最高為55℃時，內(nèi)部蓄電池外殼最高溫度為43℃，蓄電池充放電額定環(huán)境規(guī)格為-20～50℃，因此，即使有部分太陽輻射下或者說在有遮陽罩下，在大部分應用地區(qū)可以滿足溫度要求。
(3)應用PCM散熱方案，可代替空調(diào)或者熱交換器方案，由于PCM一般具有無毒、不燃燒的特性，在加入某種添加劑(為公知技術(shù))后，具有較高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能反復使用幾千次，比如日夜循環(huán)一次，可使用時間近10年，節(jié)約了成本并提高了可靠性；并且PCM固相和液相轉(zhuǎn)換是一種無源過程，無需外界提供電能，可自動實現(xiàn)，節(jié)省能源、簡單高效。PCM還可以制作成任意形狀，體積和重量可根據(jù)需求剪裁，特別便于運輸、安裝，可以使機柜的使用和運輸更加方便，并且相變材料占用的體積也可大幅減小。


圖1為現(xiàn)有室外型通信設(shè)備的溫控結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的蓄電池箱結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的蓄電池箱增設(shè)有遮陽罩的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明蓄電池箱內(nèi)容置的蓄電池外設(shè)置相變材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明基站附屬設(shè)備工作箱設(shè)置相變材料及直流風扇的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的機柜的散熱方法，是將相變材料設(shè)置于室外型機柜內(nèi)，該相變材料具有與室外型機柜工作溫度范圍相適應的相變點，當機柜內(nèi)溫度達到該相變點時，相變材料發(fā)生相變，通過相變材料的相變吸熱來進行機柜的散熱。當機柜內(nèi)溫度低于相變點時，還可以在一定程度上通過相變材料的相變放熱供機柜加熱。由于該散熱方法僅涉及相變材料及其安裝，高效低成本；其散熱過程是相變材料的無源相變過程，不存在噪聲，相變材料無毒、不燃燒，可具有較高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，因此，可靠性高；相變材料可以制作成任意形狀，體積和重量可根據(jù)需求剪裁，可大幅減小體積，且特別便于運輸、安裝，散熱簡單高效。
具體方法包括A.選擇合適的通信設(shè)備室外型機柜選擇于室外使用的外殼密封型、機柜內(nèi)功耗很低的小機柜。如選擇蓄電池箱，其內(nèi)唯一的設(shè)備是蓄電池，蓄電池本身熱耗很小，整箱內(nèi)的數(shù)個蓄電池的功耗不超過20W。蓄電池箱要求溫度范圍在-25～+50℃，低溫主要依靠加熱板實現(xiàn)溫度控制，因此，蓄電池箱可以滿足相變材料進行散熱的應用條件。又如基站附屬設(shè)備工作箱，其內(nèi)設(shè)有防雷盒、電源、微波、傳輸設(shè)備等。當其內(nèi)不設(shè)置傳輸設(shè)備時，整體設(shè)備的功耗不大，可以滿足相變材料進行散熱的應用條件。其它的通信設(shè)備室外型機柜，如能夠滿足相變材料散熱的應用條件，就可考慮采用相變材料散熱，不局限于如前所述的蓄電池箱及工作箱。在此，不再詳細舉出。
B、選擇相變材料包括相變材料類型、相變點及質(zhì)量的選擇。
(1)相變材料類型選擇如可以選擇固液轉(zhuǎn)換或液氣轉(zhuǎn)換的相變材料，也可以選擇液液轉(zhuǎn)換的相變材料。還應依據(jù)機柜內(nèi)的空間容量來考慮相變材料的形狀以及包裝，如可以選擇固態(tài)的片狀、粒狀或不規(guī)則狀的相變材料，也可以選擇液液轉(zhuǎn)換的相變材料。另外，也可考慮將相變材料用外部包裹物包裹于其內(nèi)，以利于保持相變材料的質(zhì)量不流失。
(2)相變材料相變點選擇應滿足晝夜溫差較大、平均溫度一般低于相變材料相變點3～5℃的應用條件。理論上箱內(nèi)溫度最終會與外界溫度平衡，但因為外界環(huán)境溫度是變化的，所以要先根據(jù)箱內(nèi)溫度和應用場合來選擇相變材料的熔點，一般可選擇在28～40℃之間。然后，可以再根據(jù)外界環(huán)境溫度在該溫度范圍內(nèi)選擇合適的溫度，如應用場合是北方，晝夜溫差較大，可以選擇熔點低一些的相變材料，如相變點為30℃；在南方則需要較高熔點的相變材料，如相變點為35℃。
(3)相變材料的質(zhì)量選擇根據(jù)機柜(箱體)的體積、表面材料、外界環(huán)境溫度、太陽輻射等計算箱體的總滲透熱Q，根據(jù)不同區(qū)域僅需考慮一天的8～12小時，單位為KJ，知道PCM潛熱Cm(KJ/kg)，就可計算所需的PCM質(zhì)量M＝Q/Cm。舉例說明，下面來計算蓄電池箱所需相變材料的質(zhì)量。
參見圖2、3、4，蓄電池箱1，尺寸為450(寬)×396(深)×600(高)mm，共放6個蓄電池5，分三層，每層兩個。蓄電池箱1外殼材料為鍍鋅的鋼板，導熱系數(shù)50W/mK左右，厚度1.5mm；六面都有絕緣層，各層根據(jù)需要厚度可不一樣，為18～27mm?？紤]太陽輻射，頂層最厚。中間的絕緣保溫材料為PE發(fā)泡和礦渣棉，導熱系數(shù)0.06～0.08W/mK左右；每層蓄電池5的中間隔板11與兩邊內(nèi)壁12各有3.2mm間隙；中間約有1/3的孔。
蓄電池型號EVX12260，12VDC，26.0Ah。額定溫度如下
放電-20℃～50℃充電-20℃～50℃貯存-20℃～40℃要求正常工作溫度為25±3℃。
重量約9.8kg，容器材料通常為ABS，尺寸為166±2(寬)×175±2(深)×125±1.5(高)。
按照前述各參數(shù)，本蓄電池箱大概需要PCM重量為4～5kg。計算過程為公知技術(shù)，不再詳細例舉。
C、選擇相變材料的安裝方式參見圖5，機柜壁可采用單層或雙層或雙層以上結(jié)構(gòu)。采用雙層或雙層壁結(jié)構(gòu)時，可以在至少一側(cè)的夾層內(nèi)設(shè)置相變材料，當然，根據(jù)需要，完全可以在每一個雙層或雙層以上的夾層內(nèi)設(shè)置相變材料。當考慮成本重量等因素而只用單層壁時，可以將相變材料設(shè)置于任意一側(cè)的機柜壁內(nèi)側(cè)。
另外，參見圖4，還可以將相變材料設(shè)置于機柜內(nèi)容置的相應設(shè)備外周。如對于蓄電池箱1，可以將相變材料6設(shè)置在蓄電池5外殼四周附近，可以用尼龍袋等包扎固定，從而，可最大化地利用周圍空氣和蓄電池的熱容特性，此時相變材料6利用效率最高。在升溫試驗測試中證明，如此安裝相變材料6，箱內(nèi)氣溫最快達到溫度穩(wěn)態(tài)時間常數(shù)(63.2％穩(wěn)態(tài)時間)大約為160分鐘，而蓄電池5外殼溫度變化最快點時間常數(shù)為420分鐘，如果不用PCM材料，則同樣條件下，氣溫和蓄電池箱外殼的時間常數(shù)分別為80分鐘和200分鐘。
另外，如機柜內(nèi)設(shè)置有置放相應設(shè)備的架板，相變材料也可以設(shè)置于架板上。如蓄電池箱1設(shè)有置放相應設(shè)備(蓄電池)的架板11，該架板11上也可以設(shè)置相變材料。
顯然，相變材料完全可以根據(jù)需要設(shè)置在機柜底部和/或頂部。
總之，相變材料可以由任何方式、采用任何形狀設(shè)置于機柜內(nèi)的任意位置，對于安裝位置，只要不影響機柜內(nèi)設(shè)備的正常運行，安裝難度不是很困難，就可以設(shè)置相變材料。甚至可以用敞口容器盛置一定的液液轉(zhuǎn)換相變材料，再將該容器固定于所需散熱的位置；也可以采用具有封閉空間的容器或機柜壁，內(nèi)部封閉有固液轉(zhuǎn)化、液液轉(zhuǎn)化或液氣轉(zhuǎn)化等各種類型的相變材料，同樣能夠達到低成本、低噪聲、高可靠性和體積小的效果，散熱簡單高效。
D、選擇性的采用輔助散熱措施在機柜達到高溫時，除用PCM外，同時可以考慮避免太陽輻射等措施，可以采用遮陽罩。同時，也可以在機柜內(nèi)設(shè)置直流風扇來輔助散熱。另外，也可考慮將機柜壁選用絕熱材料制造，以達到更有效的防高溫特性。
實施例1參見圖2、3、4，本發(fā)明的室外型機柜可為蓄電池箱1，其分三層，每層設(shè)置兩個蓄電池5，共放6個。該蓄電池箱1外殼材料為鍍鋅的鋼板，導熱系數(shù)50W/mK左右，厚度1.5mm；六面都有絕緣層，各層根據(jù)需要厚度可不一樣，為18～27mm?？紤]太陽輻射，頂層最厚。中間的絕緣保溫材料為PE發(fā)泡和礦渣棉，導熱系數(shù)0.06～0.08W/mK左右。每層蓄電池5的中間隔板11與兩邊內(nèi)壁12各有3.2mm間隙；中間約有1/3的孔。
本蓄電池箱1的機柜壁可采用單層或雙層或雙層以上結(jié)構(gòu)。采用雙層或雙層以上結(jié)構(gòu)時，可以在至少一側(cè)的夾層內(nèi)設(shè)置相變材料，當然，根據(jù)需要，完全可以在每一個雙層或雙層以上的夾層內(nèi)設(shè)置相變材料。當考慮成本、重量等因素而只用單層壁時，可以將相變材料設(shè)置于任意一側(cè)機柜壁內(nèi)側(cè)。采用單層壁結(jié)構(gòu)，可能會使其內(nèi)部溫度上升5℃左右，但在某些應用場合是可接受的。
參見圖4，由于蓄電池箱1內(nèi)容設(shè)的唯一設(shè)備是蓄電池5，將相變材料6設(shè)置在蓄電池5外殼四周附近，可以用尼龍袋等包扎固定，此時相變材料6的利用效率最高。
另外，所述蓄電池箱1內(nèi)供放置蓄電池5的各架板11上，也可依需要設(shè)置相變材料6，圖中未示。并且，相變材料6也可以設(shè)置在蓄電池箱1的底部或頂部，或底部和頂部同時設(shè)置。由于固態(tài)到液態(tài)的相變材料其熔點更易于控制，也更適合通信產(chǎn)品的應用環(huán)境，所以本發(fā)明中優(yōu)選固液轉(zhuǎn)換的相變材料。在將相變材料6設(shè)置于蓄電池箱1的內(nèi)壁或蓄電池5外周時，可使相變材料6呈固體片狀。在將相變材料6設(shè)置于蓄電池箱1的底部或各架板11時，可以將相變材料設(shè)置成粒狀或不規(guī)則狀，也可以隨機地放置，同樣能夠起散熱作用。雖然，本發(fā)明中優(yōu)選固液轉(zhuǎn)換的相變材料，但液氣轉(zhuǎn)換、液液轉(zhuǎn)換的相變材料也可以使用。
參見圖3，為避免太陽光直接輻射，蓄電池箱1頂上還可加設(shè)遮陽罩4。并且，還可于蓄電池箱1內(nèi)部設(shè)置直流風扇以進一步輔助散熱，圖中未示。
實施例2參見圖5，本發(fā)明的通信設(shè)備室外型機柜可以為基站附屬設(shè)備工作箱7，該工作箱7內(nèi)部設(shè)有防雷盒、電源、微波、傳輸設(shè)備等，工作箱7底部設(shè)置有多個出線孔74。其中，HDSL為High-data-rate Digital Subscriber Line的簡寫，表示高速數(shù)字用戶回路，SDH為Synchronous Digital Hierarchy的簡寫，表示同步數(shù)字系列，PDH為Plesiochronous Digital Hierarchy的簡寫，表示準同步數(shù)字系列，E1表示SDH的接口速度。由于工作箱7內(nèi)需要散熱的設(shè)備較多，且位置各異，因此，相變材料的安裝方式不能像蓄電池箱1那樣圍住蓄電池5，而是分別安裝在工作箱7的兩個側(cè)面為好，顯然，也可將全部側(cè)壁、頂壁及底壁全部設(shè)置相變材料。具體安裝結(jié)構(gòu)如下，將工作箱7設(shè)為雙層壁結(jié)構(gòu)，其雙層壁設(shè)置有方孔條71及支撐條72，相變材料6則通過方孔條71及支撐條72夾設(shè)于夾層內(nèi)。
為進一步加強散熱，再配合一直流風扇8進行高溫散熱。加上直流風扇8可更有利于內(nèi)部的對流換熱。在設(shè)置直流風扇8的結(jié)構(gòu)當中，相變材料6的熔點選擇和質(zhì)量計算與蓄電池箱1基本相同，但假設(shè)對流換熱系數(shù)時需要考慮直流風扇8的作用。另外，也可以在工作箱7的頂部設(shè)置遮陽罩4，以減少日光照射。
權(quán)利要求
1.一種機柜的散熱方法，其特征在于，將相變材料設(shè)置于室外型機柜內(nèi)，該相變材料具有與室外型機柜工作溫度范圍相適應的相變點，當機柜內(nèi)溫度達到該相變點時，相變材料發(fā)生相變，通過相變材料的相變吸熱來進行機柜的散熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機柜的散熱方法，其特征在于，所述室外型機柜為蓄電池箱或基站附屬設(shè)備工作箱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機柜的散熱方法，其特征在于，所述相變材料的相變點在28～40℃的范圍內(nèi)，并可以再根據(jù)外界環(huán)境溫度于該范圍內(nèi)選擇相變點。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機柜的散熱方法，其特征在于，所述室外型機柜在應用于低溫環(huán)境時，可以選擇該溫度范圍內(nèi)的較低溫度值；所述室外型機柜在高溫環(huán)境時，可以選擇該溫度范圍內(nèi)的較高溫度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機柜的散熱方法，其特征在于，根據(jù)室外型機柜的體積、表面材料、外界環(huán)境溫度以及太陽輻射來計算總滲透熱，該總滲透熱與相變材料潛熱的比值即為所需使用相變材料的質(zhì)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機柜的散熱方法，其特征在于，根據(jù)室外型機柜的空間，來選擇相變材料的形狀、包裝來進行安裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機柜的散熱方法，其特征在于，所述機柜可設(shè)計成雙層壁或雙層壁以上結(jié)構(gòu)，將相變材料夾設(shè)于夾層內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機柜的散熱方法，其特征在于，可以通過遮陽罩和/或風扇來進行輔助散熱。
9.一種機柜溫控結(jié)構(gòu)，包括具有容置空間的室外型機柜主體，其特征在于，該室外型機柜主體內(nèi)設(shè)置有相變材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機柜溫控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述室外型機柜為蓄電池箱或基站附屬設(shè)備工作箱。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機柜溫控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述室外型機柜為單層壁結(jié)構(gòu)，相變材料設(shè)置于機柜的至少一側(cè)內(nèi)壁上；或者，所述室外型機柜為雙層壁或雙層以上結(jié)構(gòu)，相變材料設(shè)置于至少一側(cè)的夾層內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機柜溫控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述相變材料設(shè)置于機柜內(nèi)容置的相應設(shè)備外周。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機柜溫控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述機柜內(nèi)設(shè)置有置放相應設(shè)備的架板，所述相變材料設(shè)置于架板上。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機柜溫控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述相變材料設(shè)置在機柜底部和/或頂部。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機柜溫控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述相變材料呈片狀或粒狀或不規(guī)則狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求9-15中任何一項所述的機柜溫控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述機柜的外部設(shè)置有遮陽罩和/或于機柜內(nèi)部設(shè)置風扇。
全文摘要
一種機柜的散熱方法，將相變材料設(shè)置于室外型機柜內(nèi)，該相變材料具有與室外型機柜工作溫度范圍相適應的相變點，當機柜內(nèi)溫度達到該相變點時，相變材料發(fā)生相變，通過相變材料的相變吸熱來進行機柜的散熱。一種基于本發(fā)明散熱方法的通信設(shè)備室外型機柜溫控結(jié)構(gòu)，包括具有容置空間的室外型機柜主體，該機柜主體內(nèi)設(shè)置有相變材料。本發(fā)明能夠解決目前室外型機柜高溫散熱技術(shù)的高成本、高噪聲、低可靠性和大體積的缺點，散熱簡單高效。
文檔編號H05K7/20GK1627890SQ20031011851
公開日2005年6月15日 申請日期2003年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月11日
發(fā)明者池善久 申請人:華為技術(shù)有限公司