CN101331816B - 具有改善的电磁干扰控制和减少的重量的电子设备冷却方法 - Google Patents

Abstract

一种航空器的冷却设备，包括：机柜，构造成在多个模块收纳区域中分别容纳多个模块，其中该机柜具有背板区域。该设备还包括多个气流通道，设置在机柜相邻的各模块容放区域之间。该设备还包括主气流单元，用于提供来自背板区域并且通过多个气流通道的主气流，以由此冷却容放在机柜中的多个模块。

Description

具有改善的电磁干扰控制和减少的重量的电子设备冷却方法

相关申请的交叉引用 

本发明涉及David Hardtung的标题为“用于高可靠性电子器件的交叉流冗余空气冷却方法(Cross-Flow Redundant Air Cooling Method for HighReliability Electronics)”序列号为11/249263的美国专利申请，其全部内容引用结合于此。 

技术领域

本发明总体上涉及用于冷却航空电子装置的设备，特别是，用于通过容放在电子设备机柜中的电子模块的气流冷却航空电子装置的设备。 

背景技术

航空器需要电子设备，以便控制各种航空器飞行所需的各种装置。很多这样的电子装置容放在单独的模块中，因此多个模块装入一个或者多个机柜中。模块的模块化设置允许有缺陷的模块独立于机柜中的其他模块被替换。 

与其它电子模块一样，航空电子模块(avionics modules)需要冷却，以便防止在这些模块内的部件过热。典型地，在对流型冷却系统中，航空电子模块用穿过模块的冷气流冷却。特别是，航空电子设备机柜和模块需要管道系统，用于使空气越过或者接近高功率电子部件，以便去除来自这些部件的热能。 

对于传统的航空电子设备机柜，需要包括用于空气管道的空间，这增加了这些机柜的尺寸，由此增加了容纳这些机柜所需的场所。 

所希望的是减少空气冷却航空电子设备机柜的尺寸，而保持容放在该机柜中的模块的相同或者取得更好的散热性。 

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种航空器的空气冷却设备，其包括机柜，构造成分别在多个模块收纳区域中容放多个模块，该机柜具有背板区域。 该设备还包括多个气流通道，设置在该机柜相邻的各模块收纳区域之间。该设备还包括主气流单元，用于从背板区域并且通过多个气流通道提供主气流，以由此冷却容放在机柜中的多个模块。 

根据本发明的另一方面，提供了一种航空电子模块，其包括具有至少一个连接区域的后表面，该至少一个连接区域用于连接到航空电子机柜上的背板。该航空电子模块还包括多个侧表面、具有多个用于接收进气口向上气流(in-let air up draft)的开口的下表面，以及具有多个用于接收已经通过航空电子模块的内部区域后的进气口向上气流的上表面。 

根据本发明的再一方面，提供航空电子模块，其包括具有至少一个连接区域的后表面和多个侧表面，该至少一个连接区域用于连接到航空电子机柜上的背板。该侧表面之一包括对应于沟道的凹入区域。该航空电子模块构造成邻接航空电子机柜中相邻的航空电子模块。来自航空电子模块的后表面的气流通过航空电子模块的沟道和相邻设置的航空电子模块的侧表面上的沟道，由此冷却该航空电子模块。 

附图说明

参照下面的详细描述和附图，本发明的前述优点和特征将变得明显易懂，其中： 

图1是根据本发明第一实施例的电子柜内的模块容放表面的示意图； 

图2是根据本发明第二实施例的模块的示意图； 

图3是根据本发明第三实施例的模块的示意图； 

图4是展示根据本发明第四实施例的模块到柜中的连接的示意图； 

图5展示了第四实施例的模块的后视图； 

图6是根据本发明实施例的模块的内部部件的截面图； 

图7是根据本发明第五实施例的模块的示意图； 

图8是展示根据本发明第六实施例的模块位置的示意图； 

图9A和9B是分别展示图8中模块可以采用的两个不同类型的连接件；和 

图10A和10B是分别展示根据本发明第一实施例的机柜的正视图和侧视图的示意图。 

具体实施方式

下面，将参照附图详细描述本发明。本发明涉及航空电子机柜的空气冷却设备，该航空电子机柜与传统的空气冷却的航空电子机柜相比，减少了机柜的体积，降低了重量，并且提高了可靠性。在本发明的至少一个实施例中，气流设置到电子组件的外部，由此减少并且实践中消除了气流中的湿气和颗粒沉积在电子装置上的可能性，否则湿气和颗粒可能导致设备失效。 

下面将参照附图描述本发明的第一实施例。因为底板(或控制板)结构内的电子器件互连朝着信号少、速度快的方向发展，所以在走线区域(routingregions)之间制造具有合适间隔和大小的孔的背板变得可行。然后这些孔由底托/背板部件将控制板包封在金属结构内而得到保护。该结构在其后表面上设置了管道进口连接，用于从航空器提供冷却空气(优选在压力下)。该结构在其前端上设置有硬的底托、电磁干扰(EMI)连接(bond)和连接器输入/输出(I/O)区域，其通过机械部件与空气通道隔离。然后，这些空气通道被定位为当这些模块安装在机柜中时在模块表面之间提供气流。 

关键任务系统可能会要求辅助冷却能力，其中备用冷却气流源用于在主冷却气流缺乏的情况下提供对模块的冷却。这典型地需要复杂的电磁设计、阀门、风扇/吹风机，并且导致主冷却系统内的压力降控制问题。在本发明的一个实施例中，因为模块到航空器的所有信号接口采用前面板I/O，并且由于在控制板(背板)中的高速串行I/O，所以在XCP(10吉比特)印刷线路板中实现相对较少量的信号走线互连。由此，空气端口通过背板实现，以提供直接的气流穿过模块表面(外或内)。同样，可以提供补充气流，由此该补充气流与主气流隔离，以便消除传统系统中令人苦恼的压力降变化问题或者复杂的阀门控制问题。该气流的示范性实施例可见于David Hartung的系列号为11/249,263的共同未决美国专利申请，其标题为“用于高可靠性电子器件的交叉流冗余空气冷却方法(Cross-Flow Redundant Air Cooling Methodfor High Reliability Electronics)”(参考上述)，并与本申请同一天提交，其全部内容引用结合于此。就是说，本发明可以利用该发明中所揭示的某些或者所有的实施例。 

图1展示了根据本发明第一实施例的航空电子机柜的一部分。在第一实施例中，三个模块110A、110B和110C容放在航空电子机柜100中，因此空气通道120设置在模块110A、110B和110C之间，以便在冷却空气通过 这些气流通道120时冷却模块的侧表面。图1所见的视图是关于模块110A、110B和110C的后表面，由此模块的后表面连接到机柜上的背板(未示出)。每个模块的连接区域由EMI接地屏蔽130围绕，该EMI接地屏蔽130可以对应于例如金属簧片(finger stock)。在模块上没有设置背板连接区域的位置上，冷却空气提供到每个模块110A、110B和110C的后表面。在图1中，该位置对应于每个模块110A、110B和110C的中间区域。于是，冷却空气直接通过气流通道120，以便冷却模块110A、110B和110C的侧表面。 

图2展示了根据本第二实施例可以安装到航空电子机柜上的模块200。模块200包括如图所示具有LED指示器220A、220B、220C的前表面210。该模块在顶面和底面(未示出)上具有开口230，用于使得进气口上升气流从模块200的底部到顶部通过模块200，并且由此直接冷却容放在模块200内的电子部件。进气口上升气流可以对应于航空电子机柜中的提供的次气流，其中主气流例如由图1所示的结构提供。在该实施例的优选实施中，开口230由网状过滤件覆盖，从而微粒和其它物质由过滤件收集而不进入模块200，否则这些微粒和其它物质会对模块200内的电子部件带来问题。 

图3展示了根据本发明第三实施例可以安装到航空电子机柜上的模块300。模块300包括如图所示具有LED指示器320A、320B、320C的前表面310。模块300还包括后表面(未示出)，其直接从背板方向接收主进气口空气。主进气口空气通过模块300的侧表面，其中侧表面包括鳍340，其指引空气到模块300的侧面上的特定位置。这样，主气流可以引导到模块300的特定部分，该部分比模块300的其它部分产生更多的热。图3还示出流过模块300内部的进气口上升气流(in-let air up draft)，从模块底部(未示出)中的开口到模块300的顶部中的开口340，其中进气口上升气流对应于独立的次气流。 

在第二和第三实施例中，航空器系统提供主冷却气流，其典型地是压缩气流。压缩的主气流通过背板提供，并且使得最初与容放在机柜内的模块的后表面接触。次气流提供次级空气冷却，其通过内部风扇或者其它压缩空气系统提供到容放在机柜内的模块，以便为模块提供双重冷却系统。 

图4展示了根据本发明第四实施例容放在航空电子机柜内的模块410。该模块可以具有例如图2或3所示的结构。在图4中，高压进气口空气通过例如管道提供到机柜420的后表面。当模块410设置在机柜420中的开口内时，带有弹性密闭机构(spring closure mechanism)的隔板(baffle)430由模块410的顶部、底部接合销(engagement pins)412A、412B致动，该模块410与隔板和弹性密闭构件430接触，由此打开在机柜420中的特定开口内的主气流通道。

在模块后面板与背板接触并且与敞开位置上的隔板接触的情况下，高压进气口空气流入机柜420中模块410所处的区域。现在参照展示了模块410的后表面510的图5，主气流与模块410的后表面510上的中心区域520接触，因此该中心区域520不包括任何连接器区域530。连接器区域530设置在模块410的后表面510上的顶部区域522和底部区域524上。每个连接器区域530由例如金属簧片的EMI屏蔽(见图1)围绕。因此，模块410有两个隔离走线区域，其中两个走线区域都没有直接接收主进口气流。中心区域520优选相对于模块410的后表面510凹入，以备空气管道通过模块410的侧表面。 

图5中的箭头示出了进口气流在与模块410的后表面510进行最初接触后所采取的不同路径部分。更具体讲，主气流与模块410的后表面上的中心区域520进行最初接触，然后扩散通过模块410的侧表面，流向模块410的前表面。如图3所示，在模块410的侧表面上可以提供鳍，以便引导空气通过模块。在机柜中也可以提供空气通道，如图1所示，以便引导主气流从后表面，通过侧表面并最终排出机柜。 

通过使每个机柜模块开口具有由模块的顶部、底部接合销致动的带弹性密闭机构的隔板，只有当前正容放模块的机柜开口接收主气流，由此当前没有容放模块的机柜开口的各自的隔板在常闭位置上，以由此阻挡进口气流通过这些机柜开口。这使得机柜当前正容放模块的区域中具有更强的气流，这是希望的特征。 

图6展示了外表面上有鳍的模块610的截面图，其中通过该鳍的气流用于冷却设置在模块610的内部散热件(heat sink)630上的散热片(heat sinkfins)620。印刷线路板645直接连接到内部散热件630，因此散热片620接收印刷线路板645产生的热，并且因此通过模块610的其它表面上的外部鳍的气流有助于冷却散热片620，且因此有助于冷却印刷线路板645。图6还示出了传热垫640，其连接到散热片620。图6还示出了球栅阵列(ball gridarray)650，它是很高的点热源。 

图7展示了根据本发明第五实施例的模块710，其中设置在模块710侧表面上的鳍720被构造以便引导气流通过模块710的特定部分。在图7中，气流被引导通过模块710的中心部分730，这里特别需要热传递。气流从模块710的后表面740引导到空气进口750，其中第一部分气流通过中心部分730的顶部，然后向下(以冷却中心部分730的右侧)，然后通过空气出口760。来自模块710的后表面740的第二部分气流从空气进口750向下通过(以冷却中心部分730的左侧)，然后通过中心部分730的底部，然后直接排出空气出口760。也可以利用独立的次气流，如前所述，以提供进气口上升气流以在内部通过模块710。 

图8展示了根据本发明第六实施例的冷却系统，其中在机柜的同一行上相邻模块810彼此连接。所示的每个模块810具有基本上矩形形状，凹槽或者沟槽820提供在它们的右侧表面上，并且连接部分830提供在模块810的右侧和左侧表面上。每个模块810连接到刚性背板组件822。 

模块810的连接部分830可以以任何种类的方式构造，例如图9A和9B所示的方式，这只是示例性的而不是限制性的。在图9A中，模块构造有在模块810的前表面的一侧(例如，左侧)上的凸形连接件910和在模块810的前表面的相对侧(例如，右侧)上的凹形连接件920，因此提供在机柜同一行上的相邻模块设置成凸/凹/凸/凹......构造或者凹/凸/凹/凸......构造。在图9A中，凸形连接件910对应于颈状部分925和头状部分930，而凹形连接件920对应于颈接收区域935和头接收区域940。如图9所示，这提供模块810之中的X轴互锁。 

在图9B中，凸形连接件960具有L形状，而凹形连接件970的尺寸被设计为可接收L形状的凸形连接件960。图9A和9B所示的连接件对应于指状锁定凸起(finger lock tabs)，其允许模块810互锁到航空电子机柜中的相邻模块。指状锁定凸起在制造模块810期间可以突出到模块810上。每个模块810的凹槽或者沟道820使得允许主气流从机柜的背板区域流入，通过模块810的侧表面，并且排出到机柜的前面。在选择性实施中，鳍可以提供在模块810的一个或者两个侧表面中，以增强气流通过模块810。 

另外，多行模块可以直接提供在图8所示模块行的顶部上以及图8所示模块行的紧下方，以便消除对在一起的机柜上下表面的需求。 

图10A和10B分别展示了机柜1000的不同视图，在本发明的第一实施 例中可以使用机柜1000，以便从该机柜的后侧的背板部分提供主冷却气流，并且可以从机柜1000上最下方一行模块下面的位置提供次冷却气流。图10A展示了机柜1000的正视图，其中机柜1000具有多个轨道1010，模块可以在其上滑动，以由此将模块安装在机柜1000内。次气流通道1020从机柜1000的底部1030提供空气，因此次气流提供从最下行模块到最上行模块向上流动然后排出机柜1000的空气。图10A底部提供的箭头展示了机柜1000中次气流的方向。图2的模块200可以用于装入机柜1000，其使得空气从模块200的底面经由开口230流到顶面，以由此提供次冷却作用。 

图10B展示了机柜1000的侧视图，其中可以从不同于图10A所示的角度看到模块支撑轨道1010。图10B还展示了主气流通道1060，其从机柜1000的背面部分1040进入机柜1000，其中图10B的顶部和中部所示的箭头展示了主气流1060进入机柜1000的方向。图10B的下部还示出了次气流通道1070，图10B的底部提供的箭头展示了机柜1000中次气流1070的方向。图10B还示出了隔板1050，其使主气流1060进入各模块的位置，或者阻止主气流1060进入各模块位置。特别是，当前正容放模块的模块位置由于它们各自的隔板1050借助于各自模块(例如通过模块的引导销)打开而接收主气流1060，而当前空着的模块位置由于它们各自的隔板处于它们的常闭位置而不接收主气流1060。机柜1000的前部由箭头1080示出，且机柜1000的后部由箭头1090示出。 

与传统航空电子冷却系统相比，本发明的一个有益效果是实现减少机柜空间，这是因为机柜中的模块之上和之下不需要充气增压。而且，根据本发明的一个实施例，进入机柜中的气流保持模块内的电子部件不受湿气冷凝和颗粒影响，它们会妨碍热传递并且引起可靠性下降的问题。此外，在机柜的后连接区域采用常闭的隔板/快门提供了相对简单的方法，以在模块从机柜移出时关闭气流，而不引起同一机柜中相邻模块的冷却损耗。另外，如对第四实施例所说明，气流可以为特别模块而设计，以优化对该模块的特别部分的冷却效果。本发明的示范性实施例允许直接在模块电子组件(例如，航空电子模块)上提供产生/接收信号的航空器信号接口(例如，见图2，连接器220A-C)，而不采用/通过在模块化航空电子组件中典型采用的背板。在示范性实施例中，提供一种飞行器，包括机身和多个航空电子模块，该多个航空电子模块可以至少进行产生电信号和接收电信号中的一项操作，其中航空电 子模块包括至少一个直接在该航空电子模块上的航空器信号接口，其中航空器信号不通过背板组件。 

因此，根据本发明已经描述了航空电子机柜冷却设备的不同实施例。在此所描述和图解的方法和结构可以进行很多修改和变化而不脱离本发明的精神和范围。因此，应当理解的是，在此所描述的方法和设备仅是说明性的，而不限制本发明的范围。 

Claims (7)

1.一种航空器的空气冷却设备，包括：

机柜，构造成在多个模块收纳区域中分别容放多个模块，所述机柜具有背板区域；

多个气流通道，设置在所述机柜的相邻的各模块收纳区域之间；和

主气流单元，用于提供从所述背板区域沿从所述机柜的背部到所述机柜的前部的方向通过所述多个气流通道的主气流，以由此冷却容放在所述机柜内的所述多个模块，

次气流单元，用于提供从所述机柜的底部向上进入所述机柜的次气流，以由此冷却所述机柜内的所述多个模块，其中次气流与主气流隔离开。

2.根据权利要求1所述的空气冷却设备，其中所述次气流单元与所述主气流单元隔离并独立于所述主气流单元。

3.根据权利要求1所述的空气冷却设备，还包括：

空气管道，用于向容放在所述机柜中的所述多个模块的后表面提供所述主气流。

4.根据权利要求1所述的空气冷却设备，还包括：

用于允许所述主气流沿着从所述机柜的背部到所述机柜的前部的方向流动的器具，其中该器具包括带弹性密闭机构的隔板，

其中该带弹性密闭机构的隔板被模块的顶部和底部接合销致动，由此当模块插入各自的模块收纳区域时将所述隔板从常闭位置打开。

5.根据权利要求1所述的空气冷却设备，其中所述机柜的前部对应于一区域，所述多个模块从该区域插入所述机柜。

6.一种航空器的空气冷却设备，包括：

机柜，构造成在多个模块收纳区域中分别容放多个模块，所述机柜具有背板区域，所述机柜具有多个轨道，所述多个轨道被设置为形成多排以用于将所述多个模块保持在机柜中；

多个气流通道，设置在所述机柜的相邻的各模块收纳区域之间，各模块收纳区域位于所述机柜的所述多排的每一排中；

主气流单元，用于提供从所述背板区域通过所述多个气流通道的主气流，以由此冷却容放在所述机柜内的所述多个模块，以及

用于允许主气流沿着从所述机柜的背部到所述机柜的前部的方向流动的器具，其中该器具包括隔板；以及弹性密闭机构，

其中该带弹性密闭机构的隔板被模块的顶部和底部接合销致动，由此当模块插入各自的模块收纳区域时将所述隔板从常闭位置打开。

7.根据权利要求6所述的空气冷却设备，其中通过所述多排中任意一排的主气流不通过所述多排中的其它任一排。

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