CN1627890A - 机柜的散热方法及温控结构 - Google Patents

Abstract

一种机柜的散热方法，将相变材料设置于室外型机柜内，该相变材料具有与室外型机柜工作温度范围相适应的相变点，当机柜内温度达到该相变点时，相变材料发生相变，通过相变材料的相变吸热来进行机柜的散热。一种基于本发明散热方法的通信设备室外型机柜温控结构，包括具有容置空间的室外型机柜主体，该机柜主体内设置有相变材料。本发明能够解决目前室外型机柜高温散热技术的高成本、高噪声、低可靠性和大体积的缺点，散热简单高效。

Description

机柜的散热方法及温控结构

技术领域

本发明涉及散热技术，特别是指应用于通信设备室外型机柜的散热方法及温控结构。

背景技术

现有技术中，通信设备室外型机柜一般包括：箱体，室外型是指没有气候防护(即没有温控)的应用场所。人们都知道，通信设备室外型机柜所处环境恶劣，温湿度变化范围大，并且还可能有强烈的太阳光辐射，并要满足三防要求(防腐蚀、防盐雾、防潮湿)和外壳防护要求，室外型机柜一般都是密闭型的，这些都给机柜的散热设计带来很大困难。通常，通信设备所用器件温度范围一般为商业级即0～70℃，过低或过高温度将极大降低器件可靠性寿命，甚至使设备无法正常运行。

目前，常见的通信设备室外型机柜的散热方法有室外型空调方法，参见图1，将一空调2置于机柜10顶部，空调2设有风扇3，或者，也可置于机柜10侧面，以一通风管与机柜10内部风道相通，并且空调2的内外循环风道相互隔离。使用这种方案，可以实现很好的高低温特性。但此种方法存在下列不足之处：

一、使用成本和维修成本都很高。

二、空调2的压缩机等关键部件可靠性不是很高，使得这种散热制冷方法可靠性不能得到保证。

三、由于采用了空调装置，其压缩机在工作时，不可避免地存在噪声大的问题。

四、空调装置的体积庞大，不便于运输和安装，特别是当室外环境偏僻且恶劣的情况下，更加增加了运输和安装的难度。

五、由于空调装置需要外接电源供电，而偏僻地区可能根本无法提供所需电源，所以这种散热方法的使用受到供电条件及使用地域的限制，十分不便。

另一种散热方法是采用热交换器，用热交换器代替空调。低温时用加热器，高温时用热交换器，两者共同组成一个温控单元。该方法虽然高温散热性能比空调型稍差，但可靠性有所提高，并且成本也有所降低，但该方法仍然存在着前述空调型温控的各项不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机柜的散热方法及温控结构，其能够解决目前室外型机柜高温散热技术的高成本、高噪声、低可靠性和大体积的缺点，散热简单高效。

本发明的设计原理：所谓相变材料(PCM：Phase Change Materials)是指因外界温度变化到某一点会发生相变(固态到液态或者液态到气态)的材料。相变材料具有很大的潜热，其材料经常应用的是盐类(如氢氧化钠)、石蜡等，当它发生相变，从固态到液态的融化过程中将吸收巨大的热量，从而可用于散热，从液态到固态的凝固过程将释放巨大的热量，可用于低温下放热进行温度控制。由于PCM一般具有无毒、不燃烧的特性，在加入某种添加剂(为公知技术)后，具有较高的化学稳定性和热稳定性，能反复使用几千次。

考虑到相变材料本身的特性，将其应用于室外型机柜进行散热就需要满足以下条件：

(1)昼夜温差较大，平均温度一般要求低于PCM相变点3～5℃；

(2)密闭型机柜，单层壁或者双层壁以上；

(3)机柜内设备功耗不大，如果持续工作，一般要求低于50W；

(4)机柜内设备功耗较大，但为间断工作，间断时间一般要求大于半小时。

由于本发明通信设备室外型机柜，如工作箱和蓄电池箱，能够满足以上应用特点，它们均为室外型使用的小机柜，外壳密封型，机柜内功耗很低。因此，基于以上设计原理，本发明的通信设备室外型机柜的散热方法，其特征在于，将相变材料设置于室外型机柜内，该相变材料具有与室外型机柜工作温度范围相适应的相变点，当机柜内温度达到该相变点时，相变材料发生相变，通过相变材料的相变吸热来进行机柜的散热。并且，当机柜内温度低于相变点时，还可以在一定程度上通过相变材料的相变放热供机柜加热。

本发明的机柜温控结构，包括具有容置空间的室外型机柜主体，其特征在于，该室外型机柜主体内设置有相变材料。当机柜内温度达到该相变点时，相变材料发生相变会吸收大量热量，从而可进行散热；当温度低于相变点时，相变材料发生相变释放大量热量，从而，也具有较好的低温特征。

所述室外型机柜为蓄电池箱或基站附属设备工作箱。

根据上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

(1)室外型机柜应用PCM，当外界环境温度升高或者太阳强烈照射下，可以延缓内部温度上升，升温时PCM延时作用对于内部空气和蓄电池外壳大约分别为3h和5h，效果明显。

(2)模拟外界环境实际应用时，即日温度变化试验，当外界环境温度最高为55℃时，内部蓄电池外壳最高温度为43℃，蓄电池充放电额定环境规格为-20～50℃，因此，即使有部分太阳辐射下或者说在有遮阳罩下，在大部分应用地区可以满足温度要求。

(3)应用PCM散热方案，可代替空调或者热交换器方案，由于PCM一般具有无毒、不燃烧的特性，在加入某种添加剂(为公知技术)后，具有较高的化学稳定性和热稳定性，能反复使用几千次，比如日夜循环一次，可使用时间近10年，节约了成本并提高了可靠性；并且PCM固相和液相转换是一种无源过程，无需外界提供电能，可自动实现，节省能源、简单高效。PCM还可以制作成任意形状，体积和重量可根据需求剪裁，特别便于运输、安装，可以使机柜的使用和运输更加方便，并且相变材料占用的体积也可大幅减小。

附图说明

图1为现有室外型通信设备的温控结构示意图。

图2为本发明的蓄电池箱结构示意图。

图3为本发明的蓄电池箱增设有遮阳罩的实施例结构示意图。

图4为本发明蓄电池箱内容置的蓄电池外设置相变材料的结构示意图。

图5为本发明基站附属设备工作箱设置相变材料及直流风扇的实施例结构示意图。

具体实施方式

本发明的机柜的散热方法，是将相变材料设置于室外型机柜内，该相变材料具有与室外型机柜工作温度范围相适应的相变点，当机柜内温度达到该相变点时，相变材料发生相变，通过相变材料的相变吸热来进行机柜的散热。当机柜内温度低于相变点时，还可以在一定程度上通过相变材料的相变放热供机柜加热。由于该散热方法仅涉及相变材料及其安装，高效低成本；其散热过程是相变材料的无源相变过程，不存在噪声，相变材料无毒、不燃烧，可具有较高的化学稳定性和热稳定性，因此，可靠性高；相变材料可以制作成任意形状，体积和重量可根据需求剪裁，可大幅减小体积，且特别便于运输、安装，散热简单高效。

具体方法包括：

A.选择合适的通信设备室外型机柜：选择于室外使用的外壳密封型、机柜内功耗很低的小机柜。如选择蓄电池箱，其内唯一的设备是蓄电池，蓄电池本身热耗很小，整箱内的数个蓄电池的功耗不超过20W。蓄电池箱要求温度范围在-25～+50℃，低温主要依靠加热板实现温度控制，因此，蓄电池箱可以满足相变材料进行散热的应用条件。又如基站附属设备工作箱，其内设有防雷盒、电源、微波、传输设备等。当其内不设置传输设备时，整体设备的功耗不大，可以满足相变材料进行散热的应用条件。其它的通信设备室外型机柜，如能够满足相变材料散热的应用条件，就可考虑采用相变材料散热，不局限于如前所述的蓄电池箱及工作箱。在此，不再详细举出。

B、选择相变材料：包括相变材料类型、相变点及质量的选择。

(1)相变材料类型选择：如可以选择固液转换或液气转换的相变材料，也可以选择液液转换的相变材料。还应依据机柜内的空间容量来考虑相变材料的形状以及包装，如可以选择固态的片状、粒状或不规则状的相变材料，也可以选择液液转换的相变材料。另外，也可考虑将相变材料用外部包裹物包裹于其内，以利于保持相变材料的质量不流失。

(2)相变材料相变点选择：应满足昼夜温差较大、平均温度一般低于相变材料相变点3～5℃的应用条件。理论上箱内温度最终会与外界温度平衡，但因为外界环境温度是变化的，所以要先根据箱内温度和应用场合来选择相变材料的熔点，一般可选择在28～40℃之间。然后，可以再根据外界环境温度在该温度范围内选择合适的温度，如应用场合是北方，昼夜温差较大，可以选择熔点低一些的相变材料，如相变点为30℃；在南方则需要较高熔点的相变材料，如相变点为35℃。

(3)相变材料的质量选择：根据机柜(箱体)的体积、表面材料、外界环境温度、太阳辐射等计算箱体的总渗透热Q，根据不同区域仅需考虑一天的8～12小时，单位为KJ，知道PCM潜热Cm(KJ/kg)，就可计算所需的PCM质量M＝Q/Cm。举例说明，下面来计算蓄电池箱所需相变材料的质量。

参见图2、3、4，蓄电池箱1，尺寸为450(宽)×396(深)×600(高)mm，共放6个蓄电池5，分三层，每层两个。蓄电池箱1外壳材料为镀锌的钢板，导热系数50W/mK左右，厚度1.5mm；六面都有绝缘层，各层根据需要厚度可不一样，为18～27mm。考虑太阳辐射，顶层最厚。中间的绝缘保温材料为PE发泡和矿渣棉，导热系数0.06～0.08W/mK左右；每层蓄电池5的中间隔板11与两边内壁12各有3.2mm间隙；中间约有1/3的孔。

蓄电池型号EVX12260，12VDC，26.0Ah。额定温度如下：

放电：-20℃～50℃

充电：-20℃～50℃

贮存：-20℃～40℃

要求正常工作温度为25±3℃。

重量约9.8kg，容器材料通常为ABS，尺寸为166±2(宽)×175±2(深)×125±1.5(高)。

按照前述各参数，本蓄电池箱大概需要PCM重量为4～5kg。计算过程为公知技术，不再详细例举。

C、选择相变材料的安装方式：参见图5，机柜壁可采用单层或双层或双层以上结构。采用双层或双层壁结构时，可以在至少一侧的夹层内设置相变材料，当然，根据需要，完全可以在每一个双层或双层以上的夹层内设置相变材料。当考虑成本重量等因素而只用单层壁时，可以将相变材料设置于任意一侧的机柜壁内侧。

另外，参见图4，还可以将相变材料设置于机柜内容置的相应设备外周。如对于蓄电池箱1，可以将相变材料6设置在蓄电池5外壳四周附近，可以用尼龙袋等包扎固定，从而，可最大化地利用周围空气和蓄电池的热容特性，此时相变材料6利用效率最高。在升温试验测试中证明，如此安装相变材料6，箱内气温最快达到温度稳态时间常数(63.2％稳态时间)大约为160分钟，而蓄电池5外壳温度变化最快点时间常数为420分钟，如果不用PCM材料，则同样条件下，气温和蓄电池箱外壳的时间常数分别为80分钟和200分钟。

另外，如机柜内设置有置放相应设备的架板，相变材料也可以设置于架板上。如蓄电池箱1设有置放相应设备(蓄电池)的架板11，该架板11上也可以设置相变材料。

显然，相变材料完全可以根据需要设置在机柜底部和/或顶部。

总之，相变材料可以由任何方式、采用任何形状设置于机柜内的任意位置，对于安装位置，只要不影响机柜内设备的正常运行，安装难度不是很困难，就可以设置相变材料。甚至可以用敞口容器盛置一定的液液转换相变材料，再将该容器固定于所需散热的位置；也可以采用具有封闭空间的容器或机柜壁，内部封闭有固液转化、液液转化或液气转化等各种类型的相变材料，同样能够达到低成本、低噪声、高可靠性和体积小的效果，散热简单高效。

D、选择性的采用辅助散热措施：在机柜达到高温时，除用PCM外，同时可以考虑避免太阳辐射等措施，可以采用遮阳罩。同时，也可以在机柜内设置直流风扇来辅助散热。另外，也可考虑将机柜壁选用绝热材料制造，以达到更有效的防高温特性。

实施例1

参见图2、3、4，本发明的室外型机柜可为蓄电池箱1，其分三层，每层设置两个蓄电池5，共放6个。该蓄电池箱1外壳材料为镀锌的钢板，导热系数50W/mK左右，厚度1.5mm；六面都有绝缘层，各层根据需要厚度可不一样，为18～27mm。考虑太阳辐射，顶层最厚。中间的绝缘保温材料为PE发泡和矿渣棉，导热系数0.06～0.08W/mK左右。每层蓄电池5的中间隔板11与两边内壁12各有3.2mm间隙；中间约有1/3的孔。

本蓄电池箱1的机柜壁可采用单层或双层或双层以上结构。采用双层或双层以上结构时，可以在至少一侧的夹层内设置相变材料，当然，根据需要，完全可以在每一个双层或双层以上的夹层内设置相变材料。当考虑成本、重量等因素而只用单层壁时，可以将相变材料设置于任意一侧机柜壁内侧。采用单层壁结构，可能会使其内部温度上升5℃左右，但在某些应用场合是可接受的。

参见图4，由于蓄电池箱1内容设的唯一设备是蓄电池5，将相变材料6设置在蓄电池5外壳四周附近，可以用尼龙袋等包扎固定，此时相变材料6的利用效率最高。

另外，所述蓄电池箱1内供放置蓄电池5的各架板11上，也可依需要设置相变材料6，图中未示。并且，相变材料6也可以设置在蓄电池箱1的底部或顶部，或底部和顶部同时设置。由于固态到液态的相变材料其熔点更易于控制，也更适合通信产品的应用环境，所以本发明中优选固液转换的相变材料。在将相变材料6设置于蓄电池箱1的内壁或蓄电池5外周时，可使相变材料6呈固体片状。在将相变材料6设置于蓄电池箱1的底部或各架板11时，可以将相变材料设置成粒状或不规则状，也可以随机地放置，同样能够起散热作用。虽然，本发明中优选固液转换的相变材料，但液气转换、液液转换的相变材料也可以使用。

参见图3，为避免太阳光直接辐射，蓄电池箱1顶上还可加设遮阳罩4。并且，还可于蓄电池箱1内部设置直流风扇以进一步辅助散热，图中未示。

实施例2

参见图5，本发明的通信设备室外型机柜可以为基站附属设备工作箱7，该工作箱7内部设有防雷盒、电源、微波、传输设备等，工作箱7底部设置有多个出线孔74。其中，HDSL为High-data-rate Digital Subscriber Line的简写，表示高速数字用户回路，SDH为Synchronous Digital Hierarchy的简写，表示同步数字系列，PDH为Plesiochronous Digital Hierarchy的简写，表示准同步数字系列，E1表示SDH的接口速度。由于工作箱7内需要散热的设备较多，且位置各异，因此，相变材料的安装方式不能像蓄电池箱1那样围住蓄电池5，而是分别安装在工作箱7的两个侧面为好，显然，也可将全部侧壁、顶壁及底壁全部设置相变材料。具体安装结构如下，将工作箱7设为双层壁结构，其双层壁设置有方孔条71及支撑条72，相变材料6则通过方孔条71及支撑条72夹设于夹层内。

为进一步加强散热，再配合一直流风扇8进行高温散热。加上直流风扇8可更有利于内部的对流换热。在设置直流风扇8的结构当中，相变材料6的熔点选择和质量计算与蓄电池箱1基本相同，但假设对流换热系数时需要考虑直流风扇8的作用。另外，也可以在工作箱7的顶部设置遮阳罩4，以减少日光照射。

Claims (16)

1.一种机柜的散热方法，其特征在于，将相变材料设置于室外型机柜内，该相变材料具有与室外型机柜工作温度范围相适应的相变点，当机柜内温度达到该相变点时，相变材料发生相变，通过相变材料的相变吸热来进行机柜的散热。

2.根据权利要求1所述的机柜的散热方法，其特征在于，所述室外型机柜为蓄电池箱或基站附属设备工作箱。

3.根据权利要求1所述的机柜的散热方法，其特征在于，所述相变材料的相变点在28～40℃的范围内，并可以再根据外界环境温度于该范围内选择相变点。

4.根据权利要求3所述的机柜的散热方法，其特征在于，所述室外型机柜在应用于低温环境时，可以选择该温度范围内的较低温度值；所述室外型机柜在高温环境时，可以选择该温度范围内的较高温度值。

5.根据权利要求1所述的机柜的散热方法，其特征在于，根据室外型机柜的体积、表面材料、外界环境温度以及太阳辐射来计算总渗透热，该总渗透热与相变材料潜热的比值即为所需使用相变材料的质量。

6.根据权利要求1所述的机柜的散热方法，其特征在于，根据室外型机柜的空间，来选择相变材料的形状、包装来进行安装。

7.根据权利要求6所述的机柜的散热方法，其特征在于，所述机柜可设计成双层壁或双层壁以上结构，将相变材料夹设于夹层内。

8.根据权利要求1所述的机柜的散热方法，其特征在于，可以通过遮阳罩和/或风扇来进行辅助散热。

9.一种机柜温控结构，包括具有容置空间的室外型机柜主体，其特征在于，该室外型机柜主体内设置有相变材料。

10.根据权利要求9所述的机柜温控结构，其特征在于，所述室外型机柜为蓄电池箱或基站附属设备工作箱。

11.根据权利要求10所述的机柜温控结构，其特征在于，所述室外型机柜为单层壁结构，相变材料设置于机柜的至少一侧内壁上；或者，所述室外型机柜为双层壁或双层以上结构，相变材料设置于至少一侧的夹层内。

12.根据权利要求10所述的机柜温控结构，其特征在于，所述相变材料设置于机柜内容置的相应设备外周。

13.根据权利要求10所述的机柜温控结构，其特征在于，所述机柜内设置有置放相应设备的架板，所述相变材料设置于架板上。

14.根据权利要求10所述的机柜温控结构，其特征在于，所述相变材料设置在机柜底部和/或顶部。

15.根据权利要求10所述的机柜温控结构，其特征在于，所述相变材料呈片状或粒状或不规则状。

16.根据权利要求9-15中任何一项所述的机柜温控结构，其特征在于，所述机柜的外部设置有遮阳罩和/或于机柜内部设置风扇。

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