CN112087923B - 适用于全封闭插箱的传热单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于全封闭插箱的传热单元，包括插件面板、框架、散热器和盖板；所述插件面板拼接在所述框架的U型开口处，所述框架的上面覆盖所述盖板，所述插件面板、框架、控制电路板和盖板包围形成一个可插拔的箱体；在箱体空腔内设置所述散热器，框架底部开设有与散热器的导热面匹配的开口，所述散热器的导热面朝向开口暴露在外以接触发热单元；在插件面板上并排设置有进气口和出气口，在箱体空腔内位于散热器远离插件面板的一端设置有至少两组风扇，其中一组风扇正对进气口，另一组风扇正对出气口。本发明实现了散热器件与发热元件分体安装，传热单元可以带电插拔，传热单元中散热元件维护不影响设备运行，延长了设备连续运行时间。

Description

适用于全封闭插箱的传热单元

技术领域

本发明属于散热模块技术领域，具体涉及一种适用于全封闭插箱的传热单元。

背景技术

插箱是指19"标准机架式结构机箱，大量用于通讯、电力等产品的机柜中。这种机箱结构适合产品模块化设计，即产品按照功能划分成若干个插件，不同功能插件装入机箱组成产品。通过插件的灵活配置，实现不同产品的功能；另外也通过插件的更换，实现功能拓展及产品的维护等。随着电子产品发展，插件集成度不断提高，插件的发热问题也越来显著。机箱采用通风散热效率高，但是由于插件内部元器件暴露于外部空气，受到灰尘、机柜内滴溶物侵蚀，元件发生故障的概率大幅提升，因此采用全封闭式机箱能够改善元件的运行环境，提高产品寿命。针对封闭机箱解决元件散热问题，可行方案有液冷、热传导、风冷散热等。具体说明如下：①液冷方案循环系统结构复杂、成本高、循环系统泄漏危害大，不适合常规监视、测控、保护设备。②采用传导散热方式，受传输路径热阻、机箱散热能力限制，只能适用低功率元件的散热解决方案。③增加风冷散热系统，在发热元件上设置散热器和风扇，设计与内部元件隔离的散热风道，解决封闭机箱的散热问题。发热元件、散热器、风扇、风道等元件组合在一起，插件结构复杂，风扇不能单独维护，缩短了整机维护周期。这种方案不适合长期连续工作的工业设备。

CN 104105381 A发明公开一种散热模块，其包含离心式风扇以及热管。离心式风扇包含壳体、散热鳍片阵列、挡墙、扇叶以及驱动装置。壳体具有轴向入风口、轴向出风口及径向出风口，其中轴向出风口位于壳体的舌口所在的角落。散热鳍片阵列设置于径向出风口的内壁。挡墙位于壳体的轴向出风口所在的壳墙上，挡墙抵接一电子装置的壳体内壁而形成一循环流道，用于将轴向出风口所输出的气流引导流经散热鳍片阵列对应壳墙的区域，并引导流回轴向入风口。驱动装置固定于壳体内且用以驱动扇叶旋转。热管的一端抵接散热鳍片阵列，其中挡墙与热管分别位于散热鳍片阵列的两相对侧。

上述发明就是在发热元件上增加散热和风扇，通过风扇加速装置内外空气交换，将热量传递至外部空气。此方案没有设计风道将内部元件与循环空气隔离，容易造成内部元件灰尘集聚。另外由于风扇、散热器与发热元件固定连接，不便于风扇的维护，此方案不适用于长期连续工作设备。

CN 202941082 U实用新型公开了一种热管散热插件，用于安装在电力设备装置的机箱上，其特征在于，包括插件面板、印制板模件、热管、第一散热器及第二散热器；所述插件面板具有相对应的一外侧以及一内侧，所述外侧设置有所述第二散热器，所述内侧与所述印制板模件固定连接；所述印制板模件上安装有所述第一散热器，所述第一散热器与所述印制板模件相互接触；所述热管具有一蒸发端及一冷凝端，所述蒸发端与所述第一散热器固定连接，所述冷凝端与所述第二散热器固定连接。

上述实用新型专利是采用传导散热方式，将发热元件热量采用热管方式传导至插件面板金属，通过插件面板向外部空气散热，此方案适用低功率元件的散热解决方案。

目前封闭机箱插件的散热解决方案中，散热器、参与传热的元件、风扇与发热元件采用固定连接。采用传导散热方式，散热效率低，不适合元件发热量大的情况。采用风冷散热方式，发热元件与散热系统元件固定连接，风扇元件维护需拔出插件，影响设备的正常运行，缩短了装置维护周期，不利于装置的长期可靠运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种适用于全封闭插箱的传热单元，解决风冷散热方案的风扇及散热系统维护问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于全封闭插箱的传热单元，其特征是，包括插件面板、框架、散热器和盖板；

所述插件面板拼接在所述框架的U型开口处，所述框架的上面覆盖所述盖板，所述插件面板、框架和盖板包围形成一个可插拔的箱体；

在箱体空腔内设置所述散热器，所述散热器的翅片朝向盖板且翅片布置方向与插件面板垂直，框架底部开设有与散热器的导热面匹配的开口，所述散热器的导热面朝向开口暴露在外以接触发热元件；

在插件面板上并排设置有进气口和出气口，在箱体空腔内位于散热器远离插件面板的一端设置有两组风扇，其中一组风扇正对进气口，另一组风扇正对出气口。

进一步的，还包括弹性连接结构，所述弹性连接结构使得散热器可相对框架移动，移动的方向为散热器的导热面靠近或者远离发热元件。

进一步的，所述弹性连接结构包括导杆螺钉、弹簧和拉杆，导杆螺钉穿过弹簧、散热器上安装孔锁紧于框架底部，弹簧压缩产生弹力将散热器推向框架底部；在散热器与框架底部之间两侧装配有两根拉杆，拉杆上设置有1个或多个梯形凸台、散热器的两侧边上设置有与梯形凸台相匹配的凹槽，在弹簧的弹力作用下，操作拉杆改变拉杆与散热器的配合位置，进而改变散热器相对框架距离。

进一步的，在箱体空腔内部安装行程开关，行程开关靠近两侧拉杆的末端，行程开关连接控制电路板，控制电路板的输出端连接各组风扇，控制电路板用于风扇的启停控制及运行状态监测。

进一步的，发热元件包括发热芯片，发热芯片布置在散热器导热面的投影区域，发热芯片覆盖导热垫，在导热垫上安装导热块，在导热块上安装绝缘导热垫，导热块四角通过卡扣穿过第二弹簧、导热块安装孔卡入PCB板对应安装孔。

进一步的，绝缘导热垫为方槽形状。

进一步的，插件面板左侧增加矩形凸台。

进一步的，所述插件面板上设有锁紧螺钉，所述锁紧螺钉与机箱横梁中螺母条配合，将散热器插件固定于机箱横梁。

进一步的，所述框架的底部两侧设置有两根与机箱导轨配合的导条。

进一步的，所述盖板上粘贴绝缘板。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1. 本发明实现了散热器件与发热元件分体安装，传热单元可以带电插拔，传热单元中散热元件维护不影响设备运行，延长了设备连续运行时间。

2. 传热单元工作时循环空气在传热单元内部流动，防止外界灰尘、水汽侵入机箱内部，保证全封闭箱体的防护性能。

3. 传热单元设计风扇启停控制，与传热单元可控行程的弹性连接机构联动，在传热单元与发热元件分离时风扇停止工作，此状态下进行传热单元的安装和拆卸操作，有效防止传热单元插拔过程中风扇控制电路负荷对设备工作影响。

4. 高功耗插件对应的散热器导热面投影区域可以布置发热元件，传热单元的适用范围广，有利于传热单元标准化设计。

附图说明

图1是本发明传热单元的主视图；

图2是拉杆与散热器的连接结构侧视图；

图3是高功耗插件的结构图；

图4是发热元件的结构图；

图5是高功耗插件和传热单元插入机箱的结构图；

图6是传热单元拔出机箱的机构图；

图7是传热单元上拔出限位结构的示意图；

图8是传热单元的俯视图；

图9是拉杆与散热器的连接结构剖视图。

附图标记：1、绝缘板；2、盖板；3、导杆螺钉；4、弹簧；5、锁紧螺钉；6、拉杆；7、插件面板；8、框架；9、散热器；10、风扇；11、控制电路板； 50、形成开关；81、进气口、82、出气口；83、导条；84、连接器；85、凹槽；86、梯形凸台；87、矩形凸台；

21、高功耗插件；22、传热单元；

30、插件面板部件；31、带导热组件的发热元件一；32、带导热组件的发热元件二；33、电路板组件；

40、第二弹簧；41、卡扣；42、绝缘导热垫；43、导热块；44、导热垫；45、发热芯片；46、PCB板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明中，为了解决风冷散热方案的风扇及散热系统维护问题，将风扇、散热器、控制电路等集成了一个传热单元，传热单元作为插件布置于高功耗插件右侧。实现散热风扇和散热风道等元件与发热元件可分离，传热单元的安装、拆卸不影响设备的正常运行，延长设备连续运行时间。

由于发热元件和传热单元连接方向与插件运动方向垂直，因此传热单元装配过程需分两个运动过程，需要两个方向的固定锁紧结构。传热单元安装过程是：传热单元装入机箱，锁紧插件面板螺钉；传热单元连接发热元件。传热单元拆卸过程是：传热单元脱离发热元件；松开插件面板螺钉，传热单元拔出机箱。为了实现传热单元与高功耗插件的发热元件导热连接，在传热单元上设置可控行程的弹性连接结构，在高功耗插件的发热元件上设置导热块及导热绝缘垫。另外，设置拔出限位结构防止传热单元与发热元件在连接状态时，误操作损坏导热垫。

为了实现上述功能，本发明的一种适用于全封闭插箱的传热单元，参见图1所示，包括散热结构、可控行程的弹性连接结构、高功耗插件的发热元件导热结构、拔出限位结构、风扇的启停控制电路。

下面分别阐述本发明传热单元的散热结构、可控行程的弹性连接结构、高功耗插件的发热元件导热结构、拔出限位结构、风扇的启停控制具体实施方案。

传热单元的散热结构。如图1所示，由插件面板7、框架8、散热器9、控制电路板11和盖板2组成，所述框架8为底部和U型框构成的结构件，插件面板7拼接在框架的U型框开口处，框架8底部远离插件面板7侧安装控制电路板11（参见图8所示），框架8的上面覆盖盖板2，使得插件面板7、框架8、控制电路板11和盖板2包围形成一个可插拔的箱体，是一个与机箱内部隔离的空腔。在箱体空腔内设置散热器9，散热器9的翅片朝向盖板2且翅片布置方向与插件面板7垂直，框架8底部（箱体内部）开设有与散热器9的导热面匹配的开口使得散热器9的导热面暴露在外，在插件面板7上并排设置有进气口81和出气口82，参见图1所示，出气口82位于左侧，进气口81位于右侧，在箱体空腔内位于散热器9远离插件面板7的一端设置有两组风扇10，其中一组风扇10正对进气口，使外部空气从进气口81进入箱体内，另一组风扇10正对出气口，使箱体内空气从出气口82排出。各组风扇包括至少一个风扇10。

参见图1所示，本发明实施例中，两组风扇各包括2个风扇，设置一排4个风扇10（图1中下面2个风扇被盖板2遮挡，未在图中显示），风扇10上箭头表示风扇工作时气流方向，图中未显示两组风扇工作气流方向相反。由此可见，当4个风扇10工作时，外部空气从插件面板7的进气口81进入，流经散热器9翅片，再从插件面板7的出气口82排出。空气流过散热器9翅片时，带走散热器9热量，将热量传递到外部空气。空气在传热单元内腔内流动，没有进入机箱其它内部空间，保证了全封闭箱体的防护性能。

作为本发明的优选实施例，插件面板7上设置与机箱其它插件相同的锁紧螺钉5，参见图1所示，锁紧螺钉5与机箱横梁中螺母条配合，将散热器插件固定于机箱横梁。为了使传热单元方便进出机箱，在框架8的底部两侧设置有两根与机箱导轨配合的导条83，传热单元的箱体结构及导条与机箱其它插件的支撑和导向结构相同。传热单元插件面板7、框架8、盖板2采用金属板，为保证传热单元右侧插件的绝缘性能，在盖板2上粘贴绝缘板1。

为了实现传热单元与发热元件可分离，传热单元的安装、拆卸不影响设备的正常运行，传热单元22还包括弹性连接结构，所述弹性连接结构使得散热器可相对框架移动，移动的方向为散热器的导热面靠近或者远离发热元件。如图1、图2和图9所示，弹性连接结构包括导杆螺钉3、弹簧4和拉杆6，散热器9四角分别设置导杆螺钉3和弹簧4，导杆螺钉3穿过弹簧4、散热器9上安装孔锁紧于框架8底部，弹簧4被置于导杆螺钉3的帽檐和散热器9之间，弹簧4压缩产生弹力将散热器9推向框架8底部。在散热器9与框架8底部之间两侧装配有两根拉杆6，如图2所示，拉杆6上设置有1个或多个梯形凸台86、散热器9的两侧边上设置有与梯形凸台86相匹配的凹槽85，在弹簧4的弹力作用下，操作拉杆6可以改变拉杆6与散热器9的配合位置，改变散热器9相对框架8距离。即，当拉杆6相对插件面板7处于插入状态时，拉杆6上梯形凸台86嵌入散热器9的凹槽85，使得散热器9的导热面弹出框架8底部，暴露在框架底部平面之外侧，嵌入相邻发热元件插件安装空间以方便直接接触发热元件；当拉杆6相对插件面板7处于拉出状态时，拉杆上的梯形凸台86脱离散热器凹槽85，使得散热器9的导热面收入框架8内部，即导热面位于框架底部平面之内侧。当散热器9弹出框架8时，散热器9的导热面超过插件面板7边缘。

为了实现风扇的控制，在箱体空腔内部安装行程开关50，行程开关50包括两个，分别设置在两侧拉杆6的末端位置，即在拉杆插入到底时拉杆末端接触行程开关，拉杆拉出时拉杆远离行程开关，行程开关连接控制电路板11，控制电路板11的输出端连接各组风扇10，控制电路板11用于风扇的启停控制及运行状态监测。控制电路板11配置有连接器84，控制电路板11通过连接器84与机箱内总线板电气连接，控制电路板11从总线板获得风扇驱动电源并向总线板上传风扇运行状态。本实施例中，一个行程开关控制一组风扇，操作传热单元的两个拉杆接触或远离两个行程开关50，实现两组风扇的启停控制。

如图2所示，当传热单元插入机箱，传热单元中控制电路板11与机箱内总线板连接。当拉杆6相对插件面板7处于插入位置时，拉杆6接触（推动）行程开关50，行程开关发送指令至控制电路板开启两组风扇；当拉杆6相对插件面板7处于拉出位置时，拉杆6脱离行程开关50，行程开关50发送指令至控制电路板停止两组风扇。

综上可知，本发明中通过操作拉杆6，实现散热器9与高功耗插件的发热元件连接与脱离，同时控制传热单元中风扇10的启动与停止。

为了更好的实现散热功能，本发明中还对高功耗插件的导热结构进行了改进。高功耗插件21结构如图3所示，高功耗插件21由插件面板部件30、电路板组件33、带导热组件的发热元件一31、带导热组件的发热元件二32组成。带导热组件的发热元件一31、带导热组件的发热元件二32的发热元件的导热结构如图4所示，在散热器9导热面的投影区域布置发热芯片45，发热芯片45覆盖导热垫44，在导热垫44上安装铝合金导热块43，在导热块43上安装绝缘导热垫42。导热块43四角设置第二弹簧40、卡扣41，卡扣41穿过第二弹簧40、导热块43安装孔卡入PCB板46（电路板组件33的一部分）对应安装孔，实现导热块43、导热垫44、发热芯片45的导热连接。绝缘导热垫42采用含硅油易压缩变形的高导热率软硅胶垫，选择硅胶垫最大压缩变形量要大于散热器9与导热块43配合尺寸最大误差，通过硅胶垫的变形来消除插件装配误差影响。绝缘导热垫42设置成方槽形状，增大绝缘导热垫42与导热块43连接面积；绝缘导热垫42内侧面与导热块43配合，在绝缘导热垫42内侧面喷涂专用的溶剂，经过低温烘烤形成湿润的薄膜，增强内侧面粘贴强度，保证绝缘导热垫42安装后不易会脱落。绝缘导热垫42的外表面采用溶剂去除表面硅油，保证散热器9的导热面与绝缘导热垫42分离时不发生粘粘。

在高功耗插件的发热元件与传热单元的散热器处于导热连接状态时，拔出高功耗插件或拔出传热单元都会破坏导热垫片。为防止误操作，设置拔出限位结构。如图7所示，为防止误操作，在传热单元22的插件面板7左侧增加矩形凸台87，挡住左侧高功耗插件21。传热单元22插入机箱，拉杆6推入状态，散热器9嵌入高功耗插件21安装区域，传热单元22拔出受到高功耗插件21插件面板部件30阻挡，不能拔出；传热单元22插件面板矩形凸台87挡住了高功耗插件21，限制了高功耗插件21拔出。因此要拆卸高功耗插件21或传热单元22，必须先拔出拉杆6，让散热器9和高功耗插件21脱离，限位结构有效防止高功耗插件21或传热单元22拆卸过程损坏绝缘导热垫42。

传热单元22为可插拔的组件，如图5所示，高功耗插件21右侧布置传热单元22。如图6所示，拉出传热单元22的拉杆6，传热单元22与高功耗插件21分离，松开传热单元22锁紧螺钉5，解除传热单元22和机箱的连接，可以从机箱拔出传热单元22。

本发明的发明构思是：传热单元作为可带电插拔的插件，布置在高功耗插件的右侧。传热单元内部设置散热器、与插箱内部隔离的风冷散热系统。在高功耗插件的发热元件与传热单元间采用可控行程的弹性连接结构，实现发热元件与传热单元导热连接，使用传热单元的驱动能力，将发热元件的热量传递至外部空气。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于全封闭插箱的传热单元，其特征是，包括插件面板、框架、散热器和盖板；

所述插件面板拼接在所述框架的U型开口处，所述框架的上面覆盖所述盖板，所述插件面板、框架和盖板包围形成一个可插拔的箱体；

在箱体空腔内设置所述散热器，所述散热器的翅片朝向盖板且翅片布置方向与插件面板垂直，框架底部开设有与散热器的导热面匹配的开口，所述散热器的导热面朝向开口暴露在外以接触发热元件；

在插件面板上并排设置有进气口和出气口，在箱体空腔内位于散热器远离插件面板的一端设置有两组风扇，其中一组风扇正对进气口，另一组风扇正对出气口；

还包括弹性连接结构，所述弹性连接结构使得散热器可相对框架移动，移动的方向为散热器的导热面靠近或者远离发热元件；

所述弹性连接结构包括导杆螺钉、弹簧和拉杆，导杆螺钉穿过弹簧、散热器上安装孔锁紧于框架底部，弹簧压缩产生弹力将散热器推向框架底部；在散热器与框架底部之间两侧装配有两根拉杆，拉杆上设置有1个或多个梯形凸台、散热器的两侧边上设置有与梯形凸台相匹配的凹槽，在弹簧的弹力作用下，操作拉杆改变拉杆与散热器的配合位置，进而改变散热器相对框架距离；

在箱体空腔内部安装行程开关和控制电路板，行程开关设置在靠近两侧拉杆的末端位置，行程开关连接控制电路板，控制电路板的输出端连接各组风扇，控制电路板用于风扇的启停控制及运行状态监测；

发热元件包括发热芯片，发热芯片布置在散热器导热面的投影区域，发热芯片覆盖导热垫，在导热垫上安装导热块，在导热块上安装绝缘导热垫，导热块四角通过卡扣穿过第二弹簧、导热块安装孔卡入PCB板对应安装孔。

2.根据权利要求1所述的一种适用于全封闭插箱的传热单元，其特征是，绝缘导热垫为方槽形状。

3.根据权利要求1所述的一种适用于全封闭插箱的传热单元，其特征是，插件面板左侧增加矩形凸台。

4.根据权利要求1所述的一种适用于全封闭插箱的传热单元，其特征是，所述插件面板上设有锁紧螺钉，所述锁紧螺钉与机箱横梁中螺母条配合，将散热器插件固定于机箱横梁。

5.根据权利要求1所述的一种适用于全封闭插箱的传热单元，其特征是，所述框架的底部两侧设置有两根与机箱导轨配合的导条。

6.根据权利要求1所述的一种适用于全封闭插箱的传热单元，其特征是，所述盖板上粘贴绝缘板。

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