CN1242880A - 安置发热设备的容器 - Google Patents

Abstract

一种安置发热设备并使其内腔(15)保持在预定最高和最低温度之间的容器(10)装有一个从其内腔除热的系统。上述系统包括具有与外界进行热交换的热交换器(35,36)的第一气流散热装置,以及用装在空间(25)中的液体进行蓄热和散热的第二装置,空间(25)由一对相互面对、互相连接形成板壁(22)的壁(23,24)构成的,板壁(22)至少构成腔的一部分壁。至少一个形成板壁(22)的壁(23,24)是导热的,并安置成与腔(15)的内部接触。在空间所含的液体和外部环境之间安置热交换装置。

Description

安置发热设备的容器

本发明关于安置如电子设备等的发热设备的容器，该容器装有一个使其中的温度保持在预定范围内的系统。

在许多工程领域，深感需要在外部温度变化和电子设备自然散逸出大量热量的情况下，使容器内的温度保持在一个预定范围内。

在电子设备容器的情况下，其中一个大问题是在使用期间需要在内部保持最佳的工作温度，而散出设备产生的热量和太阳辐射热是困难的。设备的使用寿命和可靠性与工作温度的分布和时时刻刻的变化的绝对值有关。

上述问题由于下列事实而复杂化，精密的电子设备通常是安置在封闭的容器内，从而防止气候的影响和未授权的人触动它。

在先有技术中，建议采用强迫通风系统以带走容器内腔中的热量，然而已经证明，它们除了会有相当高的能耗以外，不能得到令人满意的结果。即使采用一般的调节系统也不是很有利的，因为它们也有可靠性和动力供给问题，它们不能由蓄电池供电，因此如果主动力出问题，空调停止，内部温度迅速上升，此外还有操作和维护成本和噪音问题。

本发明的总的目的是通过提供一个安置发热设备的容器从而克服上述缺点，该容器能使其内部的温度保持在所安置设备工作的最佳值范围之内，其中温度的增减率大大低于一般系统可能做到的值，并具有高的可靠性。

本发明的另一目的在于提供一种容器，它既能完全散出高的能量又能将其尺寸减少到易于运输的限度之内。

鉴于这些目的，按照本发明已能提供一种容器，它用于安置发热设备并能使其内腔保持在预定的最高和最低之间的一个温度上，它包括一个内腔散热系统，其特征在于上述散热系统包括与外界环境进行气/气热交换的第一个气流散热装置，和第二个气/液散热装置，该装置装在由一对连接而形成板壁的相互面对的壁限定的空间中，上述板壁至少构成内腔部分的壁，至少一个上述壁形成热传导的气体空间，并布置成与腔内进行热接触，热交换装置装在包含在气体空间内的液体和外部环境之间。

在本发明的容器中，提供了一种按照将要除去的热量的、用气体和液体作为热载流体的散热系统，其中液态物质按照其温度是否高于或低于外部环境温度而起到热载体和蓄热器的作用。

与传统的被动空调系统相比，本发明的容器所用的材料易于得到，同样尺寸下能散出较高的能量，并在同样的散热能力下能降低成本。此外，由于在相同的能量散出的情况下尺寸较小，因此容器即使在整体组装后的情况下也易于运输，这显然是成本优势。

为了更清楚地说明本发明的原理及它与先有技术相比所具有优越性，下面将参照附图描述采用上述原理的非限制性示例的可能的实施例。在附图中：

图1表示本发明容器第一个实施例的沿图2中I-I线的平面的剖视图；

图2表示本发明容器的第一个实施例；

图2表示沿图1中II-II线的容器平面的剖视图；

图3表示本发明容器的第二个实施例的透视图；

图4是表示图3中容器的空气循环通路的简略侧视图；

图5表示一个侧板的剖视图，该侧板包含用于除去图3容器中热量的载热液体；

图6是类似于图4的视图，只是气体循环回路有变化。

参见图1和2，一个由钢或铝等导热材料制成的容器10包括通常由参照数字12示出的侧壁和底壁13。

在图示的例子中，容器11安置成埋藏状态，即安置在地11的坑中。然而这种方式的容器也可用于某个可能结构的表面上并可进行一些必要的改型。在容器用于埋藏状态的情况下应进行保护防止由于氧化和地下的散杂电流引起的腐蚀。

壁12和13设计成一旦容器处于工作状态时与外界环境(这里是地11)热接触。

在容器10的上部设有将要保护的设备进入内腔的入口14，还设有第一内盖16，用于密封内腔15，防止水和灰尘渗入；还设有第二个外盖17，它设计成能提供适当的机械抗力使容器上能经受外载荷。在两个盖16和17之间，还装有如隔热材料18构成的隔热装置，以防止由于太阳辐射引起的外盖17过热而使腔15内的温度产生不需要的增加。

内盖16最好能用螺钉类装置(为清楚起见未示出)固定到围成腔15的壁上，可采用如O形圈之类的合适的密封件进行密封。外盖17可采用通常用于封闭井孔和有一定载荷量级的工艺地坑的铸铁型构件。

按照本发明的原理的容器10包括消除内部产生的热量的系统，该系统包括采用气流作为载热流体的第一散热装置，以及用作蓄热和输送流体的装在板22壁内的液体形成蓄热和散热的第二装置，板壁22由容器的侧壁构成。

第一散热装置最好能用在内部温度高于外部温度时，而第二装置在外部温度高于内部温度时工作并能将热量散到外部。此外，后一装置起到相对于外部环境的滤热器的作用，它能按照与通过壁的热流相对应的正、负温差来散出和吸收热量。

正如图1所示，第一散热装置包括延伸在入口28和出口29之间的外部空气循环回路27，在出入口上最好装有相应的格栅30，31。回路27包括气流朝容器底部流的部分32，以及上升的并与腔15内部进行热交换以形成空气自然单路循环的部分33、34。

沿着回路27安置的是热交换件35，36，它们由若干与腔15内部接触的散热片构成。热交换器35，36最好沿对着盖16和一个侧壁的回路部分33，34安置，该侧壁不具有第二散热装置的上述板壁22，这将在下面细述。尤其是具有热交换器36的部分34能做成为可移动盖16的整体的一部分。

回路27的外形做成在外部温度低于腔15内温度时，在进口30和出口31之间沿回路建立自然的如图1中箭头37所示的空气循环，从而将从内腔15传到热交换器35，36的热量带走。由本发明容器内的温控系统整体部件形成的蓄热系统包括由容器10的相对壁安置成的板壁22，它们至少盖住30％的壁、最好至少盖在50％的壁。在图示的实施例中，板壁22盖住如图2所示的两侧壁。然而按照调节的特殊要求，板壁22也可涉及其它壁、如底壁13。

板壁22由一对相互面对壁23，24构成，这对壁23，24相互连接，在它们之间形成空间25，空间25中充以液体，液体的冻结温度在容器内可允许的最高和最低温度之间。可冻结液体的数量和物理特性在每种情况下均按照安置在容器内设备的散热量和使用位置的气候特征来选择的。

可以按照在特殊结构和经济要求的基础上的已知结构技术来提供板壁22。在任何情况下板壁22具有朝向容器外部的并与该环境热接触的第一个壁23，以及朝向内部、与腔15内所含气体热接触的第二壁24。

板壁22的壁可包括若干散热片26(图2中仅部分示出)，用以增加与空间25中可冷冻液体的接触面。尤其壁24最好装有朝向内腔15的散热片，以改进与容器内空气的热交换。

应该看到，空间25内所含的物质构成的热容量在外界温度高于内部温度时吸收内含设备所产生的热量使腔15保持在最佳温度，在外界温度降到低于内部温度时放出热量，同时也起到朝外部环境的热过滤器的作用。

在外界温度高于内部温度时，除去送入蓄热器的热量是通过将热量送回到内部环境中做到的，而当内部温度高于外部温度时是通过空气循环装置或通过故意地进行热交换而除去的。

为使设备正常工作而对达到不适当温度的其它阻碍作用是由与可冻结物质状态变化有关的潜热来进行的。

构成本发明容器一部分的热容量的操作情况是参照一个典型的夏天中的一个实施例来描述的。应该看到，这里描述的循环是发生在下列条件下的：液体的数量及其冻结温度、以及板壁覆盖面的百分比均按照容器安置的地区气候和地面特征以及所含设备产生的实际热量进行了正确的选择。

在空间25内所含的物质在低的外部温度下逐渐固化并在较短的冷却期间释放积蓄的热量。在温度升高时，冻结的物质吸收设备产生的热量而返回到液态，因此它呈现向外界环境的滤热器和设备所散热量的吸热器的双重功能。

如果蓄热器不具备冷却回路(一种用于低功率和较冷气候下的设计)，可在下列两种情况下发生散热，一种是利用蓄热器中液体的明显的热量，另一种是利用液体状态变化、尤其是利用在热气候或较冷气候下高熔化温度的液体所具有潜热。另一方面，如果蓄热器具有冷却回路(用于高功率和较冷气候下)，仅利用可测出的热量是有利的。

在本发明的容器内已指示出的内部温度变化的每小时一次的梯度可以保持在0.1℃～1.5℃的范围内。

夜晚当外界温度变冷时，板壁22通过容器与土地或与周围空气的接触而释放热量，而在到达早晨时由地其具有的热容器，又能吸收以后时间中散出的热量。

显然，上述热循环适用于恰当选择的板内所含物质的物理特性所要求的特殊性能。例如在高的外界温度和设备散发出高能量的情况下最好采用具有高熔化温度的物质，其熔化温度接近容器内可允许的最高温度。这样在熔化期间吸收的潜热实际上可防止达到最高温度。在小散热功率和低外界温度并具有冻结可能性的情况下，最好采用具有低熔化温度的物质，从而将温度控制在接近工作范围的较低限度上。

板壁22最好具有与热交换件、如图2所示的热交换器36连接的一个壁。这样通过回路27散热有利于板壁22热量的冷却。

在图1和2所示的实施例中，在容器的腔15内装有保护设备的罩19，该设备可由如通讯网络的光导纤维和电缆的信号放大器构成。设备支撑板的罩19最好能安装在从容器开口14放下的可向上伸展的结构21上，从而在维护和置换时可以从外部很容易地接近设备。

图3～6表示本发明具有除热系统的容器的第二种形式的实施例。该第二实施例可具有地上安装的接收装置。为方便起见，在图3，4，5和6中与上述实施例相对应或类似的零件采用同样的数字再加100。

参见图3，具有侧壁112和底壁113的容器110做成防护箱形式，它具有入口门116和安置设备的内腔115，为清楚起见设备未示出。

图3示出了具有壁和顶的容器，其中部分切掉以更好地显示其内部。容器110具有用于内部散热的第一装置，它通过气流在腔115和有散热片的热交换器136之间循环散热，热交换器136安置在防护箱的后壁上并装有用于将要冷却的来自腔115内部的空气的第一套通道，和与第一套通道交替的用于来自外部的冷却空气的相反气流的第二套通道。

正如图3和4所示，热交换器136包括作为每个来自内腔115的将要冷却的气流通道入口的上部140，以及热交换部分141，由于冷却效应空气沿热交换部分141向下流动，还包括用作腔115内冷却空气出口的下部142。

热交换器136还包括用于冷却气流通过的每个通道的、作为来自外部气流入口的下部143，以及热交换部分144，冷却空气沿该热交换部分吸收内部空气散发的热量向上运行，还包括用以将空气排放到外部的上部145。

在图4中，仅部分示出冷却气流向上运行的通路143，144，145，这样可清楚看出将要冷却的下行空气的通路140，141，142。

用以将入口部分140的空气送入热交换器136的风道146安置在腔115的上部、在部分或全部的腔的长度和宽度上的辅助顶板147的下方，在辅助顶板147上，最好在离热交换器136的最远区具有空气从腔115到风道146通道的开口148。

在图4中示出上述空气循环散热装置的工作概略情况，该装置还装有用以迫使内部空气循环的合适的装置，该装置可以是如图3所示的风机160。从热交换器136排入腔115中的空气如箭头149所示由合适形状的导流板161朝腔的上部输送，在腔的上部汇集了大量的设备产生的将要除去的热量。因此在这里加热的空气通过开口148进入风道146，朝入口部分140传送进入交换器136。在这里空气冲击与冷却空气(箭头150所指的)热接触的热交换器的壁，进行冷却并由重力作用向下沿部分141运行，在部分141热量继续散发到来自外部的空气中。最后冷却的空气离开交换器，通过下部142再次进入腔115。

图6所示的容器是宜用于不必进行强迫空气循环的气候下的类型。在这种情况下，空气149在交换器136的下方排入，自然循环向上通过腔115。除去由设备产生的热量，当然热量还包括容器的装有较少隔热材料的壁(如门116)滤过的热量。然后已加热的空气如上所述穿过上部的风道146。

在离交换器136的最近处，风道146最好做成虹吸管形，它具有空气向下的第一部分162和向上返到交换器入口140的第二部分163。这样当外部温度高于内部温度时可防止空气逆向循环。在热交换器136中的热交换循环自然与上面的情况是一样的。从下部143进入交换器的冷空气150由于热气流149的加热沿中间部分144向上自然循环，通过上部145排出。在容器顶部热交换器136的上方可安装一导流板，从而迫使来自热交换器的空气150强迫排放，以在容器外刮风的情况下改进热交换器的效率。导流板151还能起到防止太阳光照在热交换器区的防护屏的作用。

容器110还包括第二个散热装置，它包括一对用以在容器相对侧壁112的板壁122和容器顶部相应的热交换器152之间的载热液体循环的封闭回路。

正如图3所示，板壁122包括一对壁123，124，它们相互面对并相互连接以在它们之间限定一个充装上述载热液体的空间125。板壁122的外部覆盖一层隔热材料153。

在所示的实施例中，每个交换器152包括风道154的带散热片部分(外部，最好内部也有)，风道154在相应的上端155和下端156之间平行延伸，用来与板壁122的内部液体联通，从而提供板壁中液体的相应的出口和进口。在图5中可看到这种构形。在靠近板壁122的区域，风道154具有合适的隔热层。

作为一种置换形式，交换器152可具有改进内外热交换的带腐蚀面的壁。

在板壁122中还具有合适形状的肋157，它的方向做成有助于液体按图5箭头158所示从入口156向上返到出口155。肋157还起到增加液体和导热壁124之间的接触面的作用。

肋157侧部的通道横截面从下向上在入口侧减小、而在流体的出口侧增大，从而在热交换器的水平截面上的流体循环更加均匀。

该载热液体循环回路还具有合适的减压容器159，它最好装在容器的顶上，如图3和5所示。

现概略描述来自图3～6所示容器110的除热系统的工作情况。当外部温度低于腔115内的温度时，空气循环散热装置工作，腔内受设备产生的热量的影响而被加热，向上升到开口148，进入由辅助顶板147限定的上风道146，在自然或受返循环的情况下沿风道行进一直到达具有逆向气流的气/气热交换器136。在这里，内部空气由来自外部的空气150冷却，并沿着交换器返回到腔115中，该循环是重复进行的。

当从气/气交换器带走的热量少于除因由不完全隔热的壁而透入腔115内的热量外的由设备产生的热量时，液体循环装置将进行散热。这种液体是一种合适的化合物的水溶液，它通过板壁122的内壁124从腔115吸收热量。

如果外部的温度低于液体的温度，将通过液/气交换器152进行自然的液体循环。该循环使较冷的液体通过下方的入口进入板壁122，由肋157将在空间125中已有的流体向上输送，该流体冲击板的整个壁124，从而带走容器内的热量，最后由出口155从板壁排出，外部空气沿着带散热片的热交换器部分冷却载热液体，然后沿着通道154流到通道156进入板壁122，以重复进行散热循环。当外部温度高于液体温度时，就没有通过交换器152的循环。在板壁122中形成对流，该对流是由于加热的壁124与和它相接触的液体层热交换而产生的。在这种情况下，板壁122仅起到蓄热器的作用，在外部温度降到低于液体温度时，热交换器152重新开始工作。

在回路中的流体最好选成其密度和粘度随温度变化，这样可按照它的温度来调节它所除去的热量。尤其是该流体的特性可设定成在4～5℃以下时完全停止循环，这样在外界温度很低时可防止腔115过度冷却。

从上面描述可以清楚看出，对本发明的容器内部温度调节而言，是零能量消耗的。如果要求在容器中设置小风机来混合空气、因而有利于与壁的热交换或提供沿管道气流的强迫循环，可能需要很小的能量消耗。

当然，上述采用本发明原理的实施例仅是本发明原理的示例，而不作为对专利保护范围的限制。

尤其是板壁22、122和热交换器的数量和布局完全可与所述的例子不同。

图1实施例中的蓄热板壁也可装上如图3所示的用以循环具有液/气交换器的流体的回路。这些热交换器也可安置在热交换面后的空气出口管道上。因此图1的容器能散发掉大量的热量。作为一种置换件或除了装在空气管道上的壁24部分外，在管壁中的流体和管道中的空气之间还可设有进行热交换的肋板。

此外，热交换器表面还可具有用以改进热交换效果的与外部热交换器散热片有关的形状特征和化学-物理处理，这些对本专业技术人员来说是已知的。

Claims (27)

1.一种用于安置发热设备并能使容器内腔(15，115)保持在预定的最高和最低温度之间的容器(10，110)，包括从内腔(15，115)除去热量的系统，其特征在于：上述除热系统包括具有一气/气热交换器(35，36，136)与外部环境进行热交换的第一空气流动散热装置，以及气/液散热的第二装置，该第二装置通过装在由一对相互面对和连接而形成板壁(22，122)的壁(23，24，123，124)限定的空间(25，125)中的液体散热，板壁至少构成部分腔(15，115)的壁(12，112)，至少一个上述壁(23，24，123，124)形成热传导和与腔(15，115)内部热接触的空间(25，125)，以此在空间(25，125)所装液体和外部环境之间进行热交换。

2.按照权利要求1的容器，其特征在于板壁(22，122)占据至少30％的腔(15，115)壁、最好达50％的腔壁。

3.按照权利要求2的容器，其特征在于板壁至少占据部分腔(15，115)的侧壁(12，112)。

4.按照权利要求1的容器，其特征在于上述第一散热装置包括延伸在进口(28，143)和出口(29，145)之间的外部空气循环回路，并包括用以吸收腔(15，115)内热量的热交换部分(33，34，144)。

5.按照权利要求4的容器，其特征在于在进口(28)和出口(29)之间有一段象虹吸管(32，33)那样的回路。

6.按照权利要求4的容器，其特征在于热交换部分(33，34，144)沿不具有板壁(22，122)的腔壁(12，112)延伸。

7.按照权利要求4的容器，其特征在于还具有首先由密封的内盖(16)、其次由外盖(17)封闭的上开口(14)，外盖(17)设计成为作用在容器上的载荷提供机械抗力。

8.按照权利要求7的容器，其特征在于热交换部分(33，34)在腔(15)的内盖(16)的对面延伸。

9.按照权利要求7的容器，其特征在于内盖(16)包括构成外部空气回路的相应的热交换部分(34)的热交换器部分(36)。

10.按照权利要求4的容器，其特征在于上述第一散热装置还包括具有一管道(146)的内部空气循环的回路，管道(146)在腔的出口(148)和在包括上述部分(144)的气/气交换器(136)中的入口(140)之间的腔(115)的上部对面延伸，用以与外部空气进行热交换。

11.按照权利要求10的容器，其特征在于，热交换器(136)是一种逆流式热交换器。

12.按照权利要求10的容器，其特征在于，管道(146)由辅助顶板(147)与腔(115)分开，辅助顶板(147)上有一开口(148)，用作从腔(115)到管道(146)的通路。

13.按照权利要求1的容器，其特征在于：在空间(25)内所含液体和外部环境之间的热交换装置包括板壁(22)的壁(23，24)。

14.按照权利要求13的容器，其特征在于：至少部分内壁(24)与气流散热装置部分(34)热接触。

15.按照权利要求1的容器，其特征在于，在空间(125)中所含液体和外部环境之间的热交换装置包括管道(154)的部分(152)，管道(154)在相应的液体出口连接件(155)和板壁(122)中液体的入口连接件(156)之间伸到容器外部。

16.按照权利要求15的容器，其特征在于：每个板壁(122)均配有平行连接的若干热交换器(152)。

17.按照权利要求15的容器，其特征在于：该热交换器安置在容器的顶上。

18.按照权利要求15的容器，其特征在于：管道(154)的上述部分(152)的内外侧均带散热片。

19.按照权利要求15的容器，其特征在于：管道(154)的上述部分(152)具有带腐蚀面的壁。

20.按照权利要求1的容器，其特征在于：板壁(22，122)的壁(23，24，123，124)包括若干散热片(26，27)。

21.按照权利要求20的容器，其特征在于：散热片(157)的形状做成构成有助于使板壁(122)内的液体向上运行的肋板形状。

22.按照权利要求10的容器，其特征在于：它包括强迫内部空气进入管道(146)进行循环的装置(160)。

23.按照权利要求10的容器，其特征在于：它包括安置在气/气热交换器(136)外部上方以帮助外部空气循环的导流板(151)。

24.按照权利要求10的容器，其特征在于：在管道(146)和气/气热交换器(136)的入口部分(140)之间装有一虹吸管状弯管，该弯管具有使来自上述管道(146)的空气向下的第一部分(162)和朝向交换器的进口(140)朝上返的第二部分(163)。

25.按照权利要求10的容器，其特征在于：在气/气热交换器(136)的出口装有将空气朝腔(115)上部区域引导的导流板装置(161)。

26.按照权利要求1的容器，其特征在于：空间(25，125)中的液体的冻结温度在腔(15，115)内的预定最低和最高温度之间。

27.按照权利要求1的容器，其特征在于：空间(25，125)内的液体在它的自身温度降低时，其密度和粘度增大。

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