CN1323162A - 电子设备机箱冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种在室外地点安装电信设备的机箱,机箱包括一个用来容纳电信设备的外壳(20)。在外壳内装有附属机架(40)。一个导管(56)将机箱外部的环境空气引入附属机架。风扇(80)将环境空气吸入一个入口(52),经由导管通到附属机架并且从外壳中排出。在环境温度低时用一个加热器(62)加热入口空气。

Description

电子设备机箱冷却系统
发明领域
本发明总体涉及到电子设备的机箱，具体涉及到用来在室外地点安放电信设备的一种电信机箱。
发明背景
电信设备往往都是按照室内温度控制环境设计的，但是经常被部署在室外地点。当电信设备被部署在室外地点时，往往用一个机箱来提供环境保护并且将受热条件控制在电信设备的设计限制之内。
在室外机箱内部署电信设备基本上有两种主要方案-密封机箱和通风机箱。通风机箱采用自然或强迫的对流吸取外界空气通过机箱来冷却箱内的设备。自然对流仅仅能适应低密度散热。在中等和高功率密度的条件下需要采用强迫通风。
惯用的机箱通风系统使用一或多个风扇为机箱吸入足够的空气，以将温度维持在最高设备限制以下并且将热空气排放到外部环境中。在低温时由一个恒温器关闭风扇。在寒冷环境中，用一个电加热器将机箱温度维持在最低设备温度以内。
使用通风机箱的一种缺点在于对风扇和加热器的控制往往局限于开/关操作。这种操作方法会造成温度急剧变化并且在机箱内产生热点。在某些情况下，设备规范将冷却空气温度变化的允许速度范围限制在每分钟0.5到1.0℃之间。一般来说，普通的通风机箱无法保证这样的变化速度。
密封机箱可以代替通风机箱用于在室外地点安放电信设备。密封机箱能够为防止空气传播的污染提供最佳的保护，但是需要特殊的手段来消除设备散发的热量。为了消除电信设备散发的热量而采取了各种方法。对于中等功率密度可以采取循环风扇、空气对流热交换器或者是热管道。对于高功率密度或者是安装位置的环境温度可能超过设备限制的情况，就可能需要安装空调器。在寒冷季节往往需要用一个电加热器来维持最低设备温度。所有这些温度控制方法都存在着一些缺点或限制。
热交换器和热管道需要在环境温度和设备冷却空气温度之间有一个比较大的差别才能有效地散热，因此，这种方案仅限于在比较冷的环境中使用。使用空调器来控制密封机箱内的温度也存在一些困难。在某些密封机箱内，即使是在低温环境下，有时甚至在0°F左右，来自设备的热负荷仍然需要启动空调器。有些装置使用变速冷凝器风机和/或注水冷凝器来减少通过冷凝器的热损耗并且使空调器能够在很低的温度下运行。其它装置在温度过低而无法使空调器运行时使用一种低温排气口用外部空气来冷却机箱。这些方案会增加冷却系统的成本和尺寸。另外，对于空间上具有严格的位置限制的小机箱来说，使用空调器要在尺寸上付出很大的代价。空调器还是一个噪声源，它不能在对噪声敏感的环境中使用。
本发明是一种特别适合在室外地点使用的电信设备机箱。这种机箱包括一个外壳，它具有用来容纳电信设备的附属机架(subrack)。外壳包括在机箱下部的一个入口，用于将凉爽的环境空气吸入机箱。用于排放热空气的排气出口被设在机箱上部。在最佳实施例中，机箱包括一个隔离的空气循环系统，用来引导空气从入口通过附属机架从机箱中排出。隔离的空气循环系统包括一个导管，它从空气入口延伸到直接设在电子装置附属机架下面的一个附属机架压力通风系统(subrack plenum)。刚好在附属机架上方设有一个和排气出口连通的排气压力通风系统。
一或多个风扇将凉爽的环境空气吸入机箱。凉爽的环境空气从入口流到附属机架压力通风系统。用入口导管中的一个加热器来加热低环境温度的空气。然后抽取空气使之通过附属机架中的电子设备，由空气带走设备散发的热量。被加热的空气从附属机架进入排气压力通风系统并且通过排气出口被排出。机箱内的气流受到导管作用的约束，从而更有效地控制了冷却空气的流速和温度。
冷却系统包括一个热量控制器，用来监视机箱内的温度并且控制风扇和加热器的操作。热量控制器通常是一个微处理器式控制器，它接收的输入有附属机架入口空气温度，附属机架出口空气温度，附属机架设备温度，和室外环境空气温度。在低环境温度下(低温模式)，最佳实施例的控制器使风扇按照降低的容量工作，以维持接近恒定的空气流经附属机架。加热元件的功率是可变的，以便在直到第一预定温度的一个预定温度范围内使附属机架入口温度保持恒定。在中间温度下，关闭对加热元件的供电，并且随着温度上升而非线性地增加气流，从而使附属机架出口的温度维持恒定。在高温条件下使风扇满容量工作。
本发明的机箱能够按照设备对冷却空气温度和温度变化速度的要求来冷却电子设备，不会增加空调机箱的尺寸，复杂性，功率消耗和噪声。由装在入口导管中的过滤器来防护空气传播的污染。
附图简述
图1是本发明的电信机箱的一个透视图，在图中用虚线表示外壳。
图2是电信机箱的一个截面图。
图3是电信机箱的一个正视图。
图4是电信机箱控制系统的一个方框图。
图5的曲线表示电信机箱在环境温度范围内的理论和实际的温度包络线。
图6的曲线表示电信机箱的温度控制系统在环境温度范围内的工作方式。
图7的曲线表示风扇的一种工作方式。
详细描述
电子设备机箱10包括装在一个合适的外壳20内的各种电子设备，外壳具有顶部22，底部24和侧面26。为了便于说明，这种电子设备机箱10被描述为用来容纳诸如一个蜂窝电话基站所需的电信电子设备34的。这种电子设备机箱10通常包括电源电子设备32和通信电子设备34。通常采用一个适当的电源分配盒30将电源电子设备32与通信电子设备34分隔开，以减少和通信电子设备34的工作有关的故障。通信电子设备34通常包括各种通信电路模块42。电路模块42通常采取按垂直排列方式布置的可拆卸电路卡的形式，并且用机箱外壳20内部的电子设备附属机架40来支撑。电源电子设备32和通信电子设备34在结构和操作上的具体细节都是本领域技术人员所公知的，除非是为了有助于理解本发明，本文中不再进一步讨论这些电路。
在工作中，电子设备机箱10内的通信电子设备34需要冷却，以免发生故障或损坏；这对于不是处在温度控制环境中的电子设备机箱10是绝对必要的，例如是在室外环境中。本发明的电子设备机箱10包括用来冷却通信电子设备34的冷却系统50。冷却系统50提供的冷却气流穿过通信电子设备34。总地来说，气流从一或多个入口52进入，通过入口导管56流到附属机架入口压力通风系统70，通过电子设备附属机架40流到附属机架排气压力通风系统72，然后从一或多个排气口74排出。在电子设备附属机架40的下游设有至少一个最好是多个风扇80，沿着这一气流路径抽取外部空气。
在一个实施例中，入口52沿着外壳20的底部设置，并且有一个起防护作用的入口格栅54，其尺寸能够阻挡较大群体的昆虫。也可以沿着靠近底部24的外壳20侧面26设置入口52。入口导管56连接到入口52上，并且包括一个下部和一个上部。下部优选包括过滤器58和一个加热室60。过滤器58用来排除空气传播的纤维并且有助于进一步阻挡昆虫。加热室60包括一或多个加热元件62。在气温低时，加热元件62被用来预热从外部进入的冷却空气，使进入附属机架入口压力通风系统70的空气温度高于设备规定的最低冷却空气温度。加热元件62的功率密度应该有所限制，使每平方英寸加热器表面面积的功率密度范围处在例如6瓦以下，尽量减少电子设备附属机架40和加热元件62辐射场之内的其它设备的辐射热量，并且避免达到邻近的其它部件和/或气流中包含的异物的易燃性限制。加热元件62最好采用一个电阻加热器，并且可以由下文所述的温度控制器100来控制。用一个具有开/关过零点检测的三端双向可控硅元件64来调节加热元件62的功率，以便尽量减少与AC电源线路有关的任何电磁干扰。入口导管56的上部连接到附属机架入口压力通风系统70。附属机架入口压力通风系统70是优选设在电子设备附属机架40下面的一个开放区域，用来分配提供给电子设备附属机架40的空气。
来自附属机架入口压力通风系统70的空气流经电子设备附属机架40，使机架内的通信电子设备34冷却。通常但是并非必要，气流从分隔开的电路卡之间垂直通过电子设备附属机架40。由于本发明的冷却系统50可能不具备温度控制以及对其他污染的防护，最好是采用适应环境的涂层、保护性(但是传热)屏障、密封剂等等来防止空气传播的污染物和湿气直接接触到通信电子部件。
从电子设备附属机架40出来的空气从附属机架进入附属机架排气压力通风系统72。附属机架排气压力通风系统72是一个开放区域，它收集来自电子设备附属机架40的气流并且将其引向风扇80。风扇80抽取通过电子设备附属机架40的空气并且通过排气口74将其排放到外部。尽管仅仅需要一个风扇80，最好还是使用多个风扇80来缩小整体尺寸并且在风扇故障时提供备用件。风扇80的容量和数量可以随着冷却系统50所需的容量而改变。每个风扇80都应该能够在一个很宽的速度范围内变速。每个风扇80应该装备有倒转风门，避免循环的冷却空气通过任何一个没有使用的风扇80。为了提供备用件，最好是储备一个风扇80。如果有任何风扇速度传感器指示出其中一个主风扇80没有正确工作，例如是检测的速度处在所需速度的75％以下时，就可以用储备风扇80代替出故障的风扇80。
温度控制器100控制加热元件62和风扇80的操作。温度控制器100包括必要的控制电子设备，多个温度传感器112,114,116,118，以及为每个风扇80可供选用的风扇速度传感器120。温度传感器112,114,116,118通常包括一对附属机架入口温度传感器112(一个工作一个备用)，一个附属机架出口温度传感器114，一个附属机架设备温度传感器116，和一个环境空气温度传感器118。附属机架入口温度传感器112应该装在附属机架入口压力通风系统70的中央，如果有加热元件，它应该处在加热元件62的下游。附属机架出口温度传感器114应该装在附属机架排气压力通风系统72的中央。附属机架设备温度传感器116应该安装在电子设备附属机架40上和工作的电路卡具有相同热质量的的一个虚拟电路卡(未示出)上。环境空气温度传感器118应该装在外壳20上合适的外表面上，例如是装在靠近入口52的一个外部空洞中。
温度控制器100控制通过冷却系统50的气流和加热元件62的功率，以将提供给电子设备附属机架40的冷却空气温度保持在适当的发热限度以内。温度控制器100应该至少有三种工作模式-低温，中间温度和高温。根据附属机架入口空气温度传感器112所指示的附属机架入口温度来选择工作模式。例如，在附属机架入口温度低于15℃时就应该采用低温模式，当附属机架入口温度处在15℃到35℃之间时可以采用中间温度模式，而在附属机架入口温度高于35℃时采用高温模式。
在低温模式下，风扇80产生恒定的气流，例如是33％容量，同时启动加热元件62。加热元件62的功率最好是刚好足以将提供给电子设备附属机架40的空气的温度维持在刚刚高于最低冷却空气温度限制。在这种模式下，主要由附属机架入口温度传感器112为温度控制器100提供反馈。
在中间温度模式下关闭加热元件62，但是启动风扇80。最好是能够改变风扇80的数量和速度，将电子设备附属机架40排出的空气温度维持在刚好低于最高温度限制。为了有效地控制气流，优选地是，温度控制器100应该能够独立控制每个风扇80的速度。在这种模式下，由附属机架入口温度传感器112为温度控制器100提供主要的输入。使用附属机架出口温度传感器114来检测附属机架排气压力通风系统中的过热现象并且发出警报。
在高温模式下，加热元件62关闭，而风扇80满容量运行。
另外，温度控制器100还应该能够在一种冷启动模式下工作。在首次为通信电子设备34供电时，如果由附属机架设备温度传感器116指示的通信电子设备34的温度低于允许的最低温度，就可以采用冷启动模式。在这种模式下关闭通信电子设备34，直至将电子设备附属机架40预热到规定的限制范围之内时为止。在启动过程中操作风扇80以产生降低的气流(例如是20％)，同时接通加热元件62。最好是用加热元件62将入口导管56内的热空气加热到接近其最高允许温度例如是45℃。从而，将来自入口导管56的热空气抽取通过电子设备附属机架40，以加热电子设备附属机架40内部的部件。一旦电子设备附属机架40达到允许的最低温度，就接通通信电子设备34。
可以用这样一种最佳方式来概括本发明的功能，冷却的通信电子设备34具有规定的最高和最低输入冷却空气温度，通过通信电子设备34时的最高冷却空气温升，以及来自通信电子设备34的最高冷却空气排放温度。进而，通信电子设备34还具有对输入冷却空气的最大温度变化速度的限制。为了便于说明而使用了以下的数值：
输入冷却空气温度    +5℃到45℃
最高冷却空气温升
在最大气流下        10℃
最高排气温度        55℃
最大温度变化速度    0.5℃/分钟
图5表示这种系统理论上允许的温度包络线，它以最高排气温度(Tex)和最低输入冷却空气温度(Tin)为边界。考虑到系统温度和控制公差，这一理论温度包络线在实践中要窄一些。实际温度包络线的边界是最高实际排气温度(Texp)和最低实际输入冷却空气温度(Tinp)。由于假设本发明的冷却系统50是利用室温环境空气来冷却通信电子设备34的，在温度包络线下面的边界上加上了实际环境空气温度(Tamb)。
温度控制器100的目的是将附属机架入口压力通风系统70和附属机架排气压力通风系统72中的空气温度和流量控制在实际温度包络线之内，从而将电子设备附属机架40的温度维持在规定的限制之内。为此，温度控制器100可以按照图6中所示来工作。在外部温度较低、例如是15℃时，温度控制器100在低温模式工作，使风扇80以降低的33％流速工作，并且按照“加热器功率”线为加热元件62供电。值得注意的是，出于以下的理由，可以在10℃以上禁止加热元件62工作。在35℃以上，温度控制器100按照高温模式工作，禁止为加热元件62供电并且使风扇80满容量运行。在15℃到35℃之间，温度控制器100按照中间温度模式工作，禁止加热元件62工作并且按照“空气流量”线来改变风扇80的流速。如图所示，空气流速在中间温度模式下可以随着温度非线性地改变。
在采用三个主风扇80的一个实施例中，在低流速时仅仅使用选定的风扇80，在更高的空气流速时才启动其他风扇80。这种操作模式如图7所示。例如，在低温模式下用半速操作两个风扇80，第三个关闭。使用两个风扇80的理由是要将风扇速度控制在风扇制造商设计限制的50％到100％之内。在中间温度模式下使用两个风扇80，速度比低空气流速时要高，并且在更高空气流速时启动第三个风扇80。为了便于从两到三个风扇80平滑地输送气流，在启动第三个风扇80时降低前两个风扇80的速度。在第三个风扇80启动之后，如果需要增大气流，就将所有三个风扇80提速。如果环境温度下降，就采用相反的程序从三个风扇80过渡到两个。因此，在这一实施例中，通过电子设备附属机架40的气流在改变风扇80的数量以增大或减小通过冷却系统50的气流时不会急剧变化。从两个风扇到三个风扇的过渡发生在需要增大气流的第一预定空气流速下。从三个风扇到两个风扇的过渡发生在需要减小气流的第二预定空气流速下。为了防止风扇抖动，第一空气流速和第二空气流速是不同的(参见图7)。
如果按照图6来改变加热元件62和风扇80的操作，就能够使操作维持在温度包络线之内。另外还能明显降低功率消耗。当环境温度低于Tinp时启动加热元件62并且引入少量气流。然而，加热元件62不需要完全启动；仅仅需要附属机架入口温度达到或是刚刚超过Tinp。这样，加热器功率就随着Tamb相反地变化，并且在Tamb达到或是超过Tinp时完全停止。进而，在中间温度模式下，附属机架入口温度仅仅需要足以将附属机架出口温度维持在等于或是低于Texp。为了保持附属机架出口空气温度低于其最高温度，气流应该随着附属机架入口温度的上升而增大。
另外还需要注意到，当附属机架排气温度传感器114和附属机架入口温度传感器112的比较指示出穿过电子设备附属机架40的温升大于允许的温升时，风扇气流的变化应该比图6中所示的气流大。进而还可能需要将加热元件62的功率和风扇80的气流从图6中表示的理想情况加以修改，以适应附属机架入口温度对最大变化速度的限制。例如，如果环境温度经过寒冷的夜晚之后在早晨急剧上升，加热元件62获得的功率可以比指示的功率小。
当然，在不脱离本发明的原理和基本特征的前提下，本发明完全能够以本文所述之外的其他具体方式来实现。本文的实施例从各方面来看都仅仅是为了说明而并非限制，处在权利要求书的含义及等效范围内的所有变更都属于本发明要求保护的范围。

Claims (24)

1．一种用于在室外地点安装电信设备的机箱，包括：
a)可用来容纳上述电信设备的一个外壳；
b)包含在上述外壳内的电子设备附属机架；
c)用来引导空气从上述机箱外部进入上述附属机架的导管，上述导管包括靠近上述机箱下端设置的一个入口和靠近上述电子设备附属机架的下面设置的一个附属机架入口压力通风系统；
d)一个附属机架出口压力通风系统，它包括靠近上述电子设备附属机架的上面设置的一个出口；
e)至少一个风扇，用于将环境空气吸入上述入口，经由上述导管进入上述附属机架入口压力通风系统，通过上述电子设备附属机架进入上述附属机架出口压力通风系统，并且通过上述出口从上述外壳中排出。
2．按照权利要求1的机箱，其特征是上述导管包括设在上述入口和上述附属机架入口压力通风系统之间的一个加热室。
3．按照权利要求2的机箱，其特征是进一步包括设在上述加热室内的一个加热元件，用来加热被吸入上述入口的环境空气。
4．按照权利要求3的机箱，其特征是上述加热元件是一个电阻式加热器。
5．按照权利要求3的机箱，其特征是进一步包括一个温度控制器，它按照一种预定的控制方案控制上述加热元件的功率和上述气流。
6．按照权利要求4的机箱，其特征是，在低温模式下，上述温度控制器维持气流不变，并且改变上述加热元件的功率。
7．按照权利要求6的机箱，其特征是，在中间温度模式下，上述温度控制器改变上述气流，并且停止对上述加热元件供电。
8．按照权利要求7的机箱，其特征是在上述中间温度模式下非线性地改变上述气流。
9．按照权利要求7的机箱，其特征是在上述中间温度模式下改变上述气流，将出口温度稳定维持在风扇的工作限制范围之内。
10．按照权利要求7的机箱，其特征是，在高温模式下，温度控制器停止对上述加热元件供电，并且以最大容量操作上述风扇。
11．按照权利要求5的机箱，其特征是上述温度控制器操作上述加热元件和上述风扇，以将上述附属机架入口压力通风系统内的温度变化速度维持在小于每分钟0.5℃。
12．一种用于在室外地点安装电信设备的机箱，包括：
a)可用来容纳上述电信设备的一个外壳；
b)包含在上述外壳内的电子设备附属机架；
c)设在上述机箱下端并处在上述附属机架下面的一个入口，用于引导环境空气进入上述外壳；
d)设在上述机箱上部并且处在上述附属机架上面的一个出口，用于从上述机箱中排出空气；
e)至少一个风扇，用于将环境空气吸入上述入口，经由上述附属机架并且从上述出口排出；
f)一个加热元件，用来在环境空气到达上述附属机架之前加热被吸入上述入口的空气；
g)一个温度控制器，用来控制上述加热元件和上述风扇的操作，以将上述外壳内部的温度维持在预定的温度包络线之内；
h)当环境温度处在低温模式时，上述温度控制器保持气流不变，并且改变上述加热元件的功率，在中间温度模式下，则停止对上述加热元件供电，并且改变上述气流。
13．按照权利要求12的机箱，其特征是在上述中间温度模式下，在一定的温度范围内非线性地改变上述气流。
14．按照权利要求12的机箱，其特征是在上述中间温度模式下改变上述气流，以将出口温度稳定维持在风扇的工作限制范围之内。
15．按照权利要求12的机箱，其特征是上述温度控制器操作上述加热元件和上述风扇，以将上述附属机架压力通风系统内的温度变化速度维持在小于每分钟0.5℃。
16．按照权利要求12的机箱，其特征是上述机箱内进一步包括一个导管，用来引导空气从上述入口进入上述附属机架。
17．按照权利要求16的机箱，其特征是上述导管包括一个加热室，并且上述加热元件被设在上述加热室内。
18．按照权利要求12的机箱，其特征是上述加热元件是一个电阻式加热器。
19．一种用来控制具有电子设备附属机架的室外电信机箱内的温度的方法，包括以下步骤：
a)在环境温度低于第一温度时维持通过上述附属机架的气流基本不变；
b)在环境温度低于上述第一温度时加热上述气流，以在最高为上述第一温度的第一环境温度范围内维持附属机架入口处的温度不变；
c)在温度高于上述第一温度而低于第二温度时维持经过所述附属机架的气流基本不变；
d)在环境温度高于上述第一温度时停止对上述加热元件供电；
e)在环境温度高于上述第二温度时改变通过上述附属机架的气流，以在高于上述第二温度的第二环境温度范围内维持上述出口处的气流的温度相对稳定。
20．按照权利要求19的方法，其特征是在上述第二温度以上非线性地改变上述气流。
21．按照权利要求19的方法，其特征是控制上述气流和上述加热元件，以将附属机架入口处的温度变化速度维持在大约每分钟0.5℃之内。
22．一种用来控制具有电子设备附属机架的室外电信机箱内的温度的方法，包括以下步骤：
a)在环境温度低于第一温度时维持通过上述附属机架的气流基本不变；
b)在环境温度低于上述第一温度时加热上述气流，以在最高为上述第一温度的第一环境温度范围内维持附属机架入口处的温度不变；
c)在环境温度高于上述第二温度时改变通过上述附属机架的气流，以在高于上述第二温度的第二环境温度范围内维持上述出口处的气流的温度相对稳定。
23．按照权利要求22的方法，其特征是控制上述气流和上述加热元件，以将附属机架入口处的温度变化速度维持在大约每分钟0.5℃之内。
24．一种装在一个机箱内的电信设备的冷启动方法，包括以下步骤：
a．将气流引入上述机箱并且通过上述设备；
b．在上述电信设备上游的一个位置处加热上述气流；
c．监视电信设备的温度；
d．当电信设备的温度达到预定温度时为上述电信设备供电。
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