FR2940530A1 - Architecture de refroidissement notamment pour antenne a modules actifs - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte au domaine général du refroidissement par circulation d'air d'équipements électroniques disposés selon des rangées superposées et conditionnées en racks ou en armoires. Elle concerne en particulier les structures d'antennes à modules actifs. L'architecture selon l'invention vient suppléer les systèmes de ventilation classiques qui procèdent par circulation d'un courant d'air série à travers les différentes rangées d'équipements et emporte l'énergie thermique dissipée par ces équipements au fur et à mesure qu'il se propage. Elle consiste à ajouter des moyens de refroidissement d'air, agencé de façon à rafraichir le courant d'air forcé lorsqu'il quitte une rangée d'équipement et avant qu'il n'atteigne la rangée suivante.

Description

ARCHITECTURE DE REFROIDISSEMENT NOTAMMENT POUR ANTENNE A MODULES ACTIFS L'invention se rapporte au domaine général du refroidissement par circulation d'air d'équipements électroniques conditionnés en racks ou en armoires. Elle concerne en particulier les structures d'antennes à modules actifs.

Dans le cadre du développement d'antennes à modules actifs, une contrainte de développement importante réside dans le conditionnement des modules. En effet chaque module comporte, de manière connue, des moyens pour générer une onde électromagnétique présentant une puissance donnée. Dans le cas d'antenne de grande puissance, chaque module délivre une puissance non négligeable qui s'accompagne d'un dégagement d'énergie thermique, le rendement d'un module n'étant naturellement pas égal à un. Par suite pour éviter que les modules ne subissent un échauffement trop important, préjudiciable à leur fonctionnement, il est nécessaire que la structure de l'antenne comporte des moyens capables d'assurer la récupération et l'évacuation de l'énergie thermique dissipée par chaque module de façon à maintenir la température de celui-ci à une valeur qui n'altère pas son fonctionnement. Bien que pouvant intégrer des éléments spécifiques une antenne à modules actifs comporte principalement, comme l'illustre schématiquement la figure 1, un panneau rayonnant 11 sur lequel sont agencés des éléments rayonnants 12 reliés à des modules d'émission/réception 13 comportant des amplificateurs de puissance. Les modules d'émission réception 13 sont généralement réalisés sous forme de boitiers électroniques montés sur des cartes électroniques 14 agencées de manière superposée selon des plans parallèles perpendiculaires au plan du panneau rayonnant de façon à forme un ensemble logé derrière la face rayonnante de l'antenne. La figure 1 illustre de manière schématique un de ces plans. Les cartes électroniques sont généralement logées dans une structure d'accueil qui assure notamment leur maintien en position vis-à-vis du panneau rayonnant. Cette structure d'accueil est par exemple constituée de racks aptes à recevoir les cartes électroniques. La structure d'accueil se présente ainsi, comme l'illustre schématiquement la figure 2, comme une superposition de racks 21 disposés selon des rangées 22 superposées chaque rangé comportant une pluralité de racks juxtaposés parallèlement au panneau rayonnant, non représenté sur la figure.

Chaque carte électronique 14 regroupe selon les cas un ou plusieurs modules d'émission/réception 13. Ceux-ci sont implantés sur la carte de telle façon que, lorsque la carte est positionnée à son emplacement, les longueurs des liaisons électriques reliant ces modules aux éléments rayonnants auxquels ils sont reliés, soit les plus faibles possibles, de façon à limiter les désadaptations pouvant prendre naissance au niveau des connexions reliant les modules 13 aux éléments rayonnants 12. Par voie de conséquence, les modules d'émission/réception 13 qui comportent généralement des composants dissipateurs d'énergie thermique se trouvent localisés à proximité du panneau rayonnant 11.

Par suite une antenne à modules actifs se présente schématiquement comme un plan rayonnant derrière lequel des cartes électroniques (14) sont disposées de façon à former des alignements perpendiculaires au plan du panneau, les alignements étant séparés les uns des autres par des intervalles formant des couloirs 23 de largeur donnée.

L'ensemble formé par les cartes électroniques et la structure d'accueil dans laquelle elles sont logées, est généralement protégé de l'environnement extérieur par des parois qui forment avec le panneau rayonnant un espace interne qui protège les équipements électroniques des agressions mécaniques ou climatiques extérieurs. Par suite les module actifs d'émission/réception 13 étant des éléments dissipateur d'énergie thermique (de chaleur) il est nécessaire d'équiper l'antenne de moyens capables d'assurer le conditionnement de l'espace interne ainsi constitué et en particulier de réaliser l'absorption de l'énergie dissipée par chaque module 13, de façon à ce que celui-ci conserve une température compatible de son bon fonctionnement. Autrement dit, pour pouvoir fonctionner correctement, une antenne à modules actifs doit comporter des moyens notamment aptes à assurer le refroidissement des modules d'émission/réception.

Généralement, pour réaliser le conditionnement d'une structure 35 fermée comportant des cartes électroniques, agencées dans des racks superposés, on utilise de manière connue, soit la circulation forcée d'un courant d'air, le courant d'air venant en contact au cours de son déplacement avec les différentes cartes électroniques 14 hébergées par la structure, soit la circulation d'un fluide caloporteur, le fluide étant transporté par un système de canalisation jusqu'aux éléments nécessitant d'être refroidis.

Un premier mode de conditionnement par circulation d'air, illustré par la figure 3, consiste à utiliser un système de ventilation provoquant la circulation d'un courant d'air forcé dans la structure d'accueil. Ce courant d'air matérialisé par les flèches 31 sur la figure est dirigé parallèlement aux plans suivant lesquels sont disposés les cartes électroniques 14 dans les racks 21 et perpendiculairement au sens suivant lequel les racks 21 sont superposés. Le courant d'air forcé entre ainsi en contact simultanément avec la surface de tous les modules dissipateurs d'énergie thermique, le contact donnant lieu au transfert vers le courant d'air de l'énergie thermique dissipée par ces derniers, ce transfert se traduisant par une élévation de la température de l'air circulant. Le courant d'air ainsi échauffé est ensuite normalement évacué en sortant de la structure porteuse par la face 32 opposée à la face 33 par laquelle il est entré, ces deux faces comportant, comme l'illustre la figure, des ouvertures permettant la circulation de l'air. De la sorte le courant d'air 31 circulant selon une direction horizontale constante se répartit simultanément sur l'ensemble des cartes électroniques 14, chaque carte, quelle que soit sa position, étant ainsi mise en contact avec un courant d'air dont la température uniforme est propre à permettre l'absorption de l'énergie thermique dissipée par les modules 13 hébergés par cette carte. Ce premier mode de conditionnement que l'on peut qualifier de mode de conditionnement parallèle, est simple de mise en oeuvre et généralement efficace. Cependant en ce qui concerne les antennes actives, la face par laquelle le courant d'air sort normalement de la structure d'accueil est obturée par le panneau rayonnant, de sorte que, comme l'illustre la figure 4- a, le courant d'air forcé 41 est contraint, dans un tel mode de circulation, de s'évacuer tant bien que mal par les autres faces de la structure en cheminant notamment le long de la paroi du panneau rayonnant 11. Ce cheminement est d'autant plus difficile que la structure d'accueil est généralement, comme cela a été dit précédemment, très proche de la paroi du panneau rayonnant. Cette difficulté de circulation se traduit par un échauffement de l'air dans des zones 42 situées voisinage de la paroi du panneau rayonnant, zones dans lesquelles se situent précisément les modules d'émission/réception 13 qui représentent les éléments de la structure les plus fortement dissipateur d'énergie thermique. Par suite l'absorption par l'air échauffé de l'énergie thermique produite par ces éléments dissipateurs s'effectue moins bien et peut entraîner une élévation de la température de tout ou partie des modules 13, généralement incompatible avec leur bon fonctionnement. Par conséquent un tel type de conditionnement, connu par ailleurs, n'est vraiment utilisable que pour des antennes à modules actifs de relativement faible puissance.

Un deuxième mode de conditionnement par circulation d'air, illustré par la figure 4-b, consiste également à utiliser un système de ventilation provoquant la circulation d'un courant d'air forcé 43 dans la structure d'accueil. Cependant le courant d'air est dans ce cas dirigé selon une direction telle qu'il entre progressivement en contact avec les différentes cartes électroniques 14. Il entre ainsi progressivement en contact avec la surface des modules 13 dissipateurs d'énergie thermique, le contact donnant lieu au transfert vers le courant d'air de l'énergie thermique dissipée par ces derniers, ce transfert se traduisant par une élévation progressive de la température de l'air circulant à masure que celui-ci se rapproche de la zone 44 par laquelle il quitte la structure d'accueil. Par suite chaque carte électronique 14 est en contact avec un flux d'air dont la température est fonction de la position de la carte dans la structure d'accueil. Ce deuxième mode de conditionnement que l'on peut qualifier de mode de conditionnement série, présente l'avantage d'être compatible d'une structure du type de celle d'une antenne à modules actifs. En effet la circulation d'air forcé est alors réalisée parallèlement au plan de la surface rayonnante. En revanche, du fait que selon sa position dans la structure une carte électronique entre en contact avec un flux d'air ayant déjà été en contact avec un nombre variable de cartes, l'absorption d'énergie thermique qui se produit au niveau des modules montés sur la carte varie d'une carte à l'autre. Ainsi, certaines cartes, principalement les cartes situées à proximité de la zone de la structure par laquelle le courant d'air est introduit, sont mises en contact d'un flux d'air frais et sont convenablement ventilées et fonctionnent de manière nominale. En revanche les cartes électroniques 45 situées à proximité de la zone par laquelle le courant d'air sort de la structure d'accueil sont mises en contact avec un flux d'air réchauffé qui assure moins bien le refroidissement des cartes. De ce fait, les cartes concernées voient leur température augmenter jusqu'à atteindre dans certains cas défavorables une température incompatible avec un fonctionnement satisfaisant des modules 13 logés sur ces cartes. Par voie de conséquence la création de zones chaudes 44 à l'intérieur de la structure peut conduire à un fonctionnement d'ensemble dégradé. La seule manière de remédier à cet inconvénient consiste par suite à surdimensionner le débit d'air circulant surdimensionnement qui n'est pas sans conséquence en termes de consommation électrique et de masse d'antenne, ainsi qu'en termes de bruit.

Par conséquent un tel type de conditionnement, connu par ailleurs, n'est lui aussi vraiment utilisable que pour des antennes à modules actifs de relativement faible puissance.

Face à ces modes connus de conditionnement thermique par circulation forcé d'un courant d'air, il est également connu de réaliser le conditionnement thermique de structures telles que celle décrites précédemment en faisant circuler un fluide caloporteur au niveau des cartes ou des modules électroniques contenus dans la structure. Cette solution bien connue, quoique efficace, implique cependant un nombre important de contraintes de réalisation. En effet comme l'illustre schématiquement la figure 4-c, la structure d'accueil doit tout d'abord être équipée d'un jeu de canalisations permettant d'acheminer un fluide refroidi, fourni par un système de refroidissement généralement déporté, vers les différentes cartes électroniques 46. Chaque carte doit en outre être configurée pour permettre la circulation du fluide caloporteur au voisinage des modules dissipateurs d'énergie thermique qu'elle héberge, les modules d'émission/réception 13 principalement. A cet effet chaque carte 46 doit comporter des canalisations internes 47 ainsi que des moyens de connexion hydraulique 48 permettant de la raccorder au jeu de canalisations 49 de la structure d'accueil. La mise en place de ce jeu de canalisations a donc naturellement pour conséquences de rendre la structure d'accueil et les cartes électroniques 46 plus complexes à réaliser et par suite plus coûteuses. Elle a également pour conséquence fâcheuse de rendre le démontage des cartes plus délicat du fait que pour extraire une carte de sa structure d'accueil il faut mettre en oeuvre des moyens permettant de séparer les canalisations de la carte du circuit de refroidissement de la structure, sans occasionner de fuite de fluide. En outre s'agissant d'une antenne à modules actifs, la mise en place d'un système de conditionnement thermique par circulation de fluide caloporteur se traduit par un accroissement de la masse de l'antenne. Elle se traduit également, pour une antenne tournante, par la nécessité de mettre en oeuvre des moyens appropriés, un joint tournant hydraulique par exemple, pour faire circuler le fluide depuis le système de refroidissement généralement déporté vers l'antenne; moyens dont la mise en oeuvre est par nature coûteuse.

Ainsi comme on peut le constater, aucun des moyens de conditionnement thermique connus, proposés pour assurer le conditionnement d'une structure d'accueil renfermant des cartes électroniques dont certains éléments sont fortement dissipateurs d'énergie thermique, n'est réellement approprié en ce qui concerne le conditionnement thermique d'antennes à modules actifs, notamment celles de forte puissance.

Un but de l'invention est de proposer une structure de conditionnement thermique réellement adaptée aux antennes à modules actifs, notamment aux antennes de forte puissance qui assure un refroidissement correct des modules dissipateurs d'énergie thermique logés dans ces antennes, les modules d'émissions/réception notamment, en prenant en compte les contraintes de structure propre à ces antennes, contraintes de structure qui rendent inefficaces, au moins partiellement, les modes de conditionnement connus décrits précédemment.

A cet effet l'invention a pour objet un dispositif de conditionnement thermique d'une structure d'accueil comportant des équipements électroniques dissipateurs d'énergie thermique, ces équipements étant agencés dans la structure d'accueil selon des rangées superposées suivant une direction donnée, chaque rangée étant en outre constituée d'équipements juxtaposés, chaque équipement étant séparé de ses voisins par un espace libre, chaque rangée étant de plus séparée des rangées voisines par un espace libre. Selon l'invention, le dispositif comporte des moyens pour assurer la circulation d'un courant d'air forcé dans une direction parallèle à la direction de superposition des rangées d'équipements ainsi que des moyens pour assurer un rafraichissement régulier du courant d'air forcé au cours de son déplacement dans la structure d'accueil. Ces moyens sont par ailleurs agencés au niveau des espaces libres séparant chacune des rangées d'équipements.

Selon un mode de réalisation particulier, non exclusif, les moyens pour assurer un rafraichissement régulier du courant d'air forcé au cours de son déplacement dans la structure d'accueil, comportent une pluralité d'échangeurs thermiques, un échangeur thermique étant disposé dans l'espace séparant deux rangées d'équipements consécutives. Chaque échangeur réalise ainsi le refroidissement du courant d'air sortant d'une rangée avant que celui-ci ne pénètre dans l'autre rangée.

Selon un autre mode de réalisation particulier, les moyens pour assurer un rafraichissement régulier du courant d'air forcé au cours de son déplacement dans la structure d'accueil, comportent une canalisation. Cette canalisation est configurée pour acheminer au niveau de chaque espace séparant deux rangées juxtaposées un courant d'air forcé frais qui vient se mélanger au courant d'air sortant d'une rangée de façon afin d'abaisser la température de ce dernier avant qu'il ne pénètre dans la rangée suivante.

Selon un autre mode de réalisation particulier, les moyens pour assurer un rafraichissement régulier du courant d'air forcé au cours de son déplacement dans la structure d'accueil, comportent une pluralité de moyens de ventilation forcée. Ces moyens sont agencés au niveau des espaces séparant les rangées juxtaposées. Un moyen de ventilation forcée comporte une turbine configurée et agencée pour insuffler de l'air extérieur dans l'espace séparant deux rangées.35 Le dispositif selon l'invention présente l'avantage de rendre un système de ventilation de type série suffisamment efficace pour assurer le conditionnement thermique des modules actifs d'une antenne comportant de tels modules, antenne dont la structure est mal adaptée à la mise en place d'un système de ventilation de type parallèle.

Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose l'invention au travers d'un mode de réalisation particulier pris comme exemple non limitatif et qui s'appuie sur les figures annexées, figures qui représentent:

- les figures 1 et 2, des illustrations schématiques de la structure générale d'une antenne à modules actifs; - la figure 3, l'illustration schématique d'un premier mode connu de 15 conditionnement thermique d'une structure d'accueil contenant des cartes électroniques; - les figures 4-a à 4-c, des illustrations mettant en évidence les inconvénients présentés par les différentes solutions connues employées pour réaliser le conditionnement thermique d'une antenne à modules actifs; 20 - la figure 5, une illustration schématique du principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention; - la figure 6, l'illustration d'une première variante de réalisation du dispositif de conditionnement thermique selon l'invention; - la figure 7, l'illustration d'une seconde variante de réalisation du 25 dispositif de conditionnement thermique selon l'invention; .

La suite de la description décrit l'invention au travers d'une application particulière qui consiste à réaliser le conditionnement thermique d'une antenne à modules actifs, application dans laquelle le dispositif selon 30 l'invention trouve toute son utilité du fait des contraintes de structure que présente une telle antenne. Néanmoins, il est clair que cette application particulière n'est pas destinée à limiter la portée de l'invention à ce seul domaine.

On considère dans un premier temps la figure 5 qui illustre le principe de fonctionnement du dispositif de conditionnement selon l'invention. La structure générale du dispositif selon l'invention comporte des moyens permettant de faire circuler un courant d'air forcé permettant de réaliser un refroidissement série des cartes électroniques. En cela elle s'apparente aux structures mettant en oeuvre le mode de conditionnement connu décrit précédemment et illustré par la figure 4-b. Cependant, la structure selon l'invention comporte également des moyens permettant d'éviter l'échauffement progressif du courant d'air forcé à mesure que celui-ci traverse la structure d'accueil. Ces moyens ont ainsi pour fonction de principale de rafraichir le courant d'air circulant, matérialisé par les flèches 53, en différents points de son parcours au travers de la structure d'accueil. Selon l'invention lesdits moyens sont disposés dans les espaces libres 51 séparant deux rangés consécutives 52 de cartes électroniques, les espaces séparant deux rangées consécutives de racks par exemple. La combinaison de moyens ainsi formée permet avantageusement de mettre en oeuvre des moyens de conditionnement thermique par circulation d'air suivant une mode série compatible de la structure particulière d'une antenne à modules actifs en supprimant l'inconvénient principal du refroidissement série qui consiste à refroidir les carte électronique au moyen d'un flux d'air dont la température augment progressivement à mesure qu'il se propage à l'intérieur de la structure d'accueil. On obtient ainsi un courant d'air dont la température est régulièrement abaissée de sorte que quelle que soit sa position, une carte électronique 14 est toujours en présence d'un courant d'air dont la température est suffisamment basse pour lui permettre de fonctionner à une température acceptable, non susceptible de causer des dommages aux modules 13 placés sur cette carte. Ainsi, en associant des moyens pour produire un courant d'air forcé et des moyens de refroidissement d'air agencés de façon à rafraichir ce courant d'air forcé lorsqu'il quitte une rangée d'équipements et avant qu'il n'atteigne la rangée suivante, l'architecture selon l'invention permet avantageusement de maintenir le courant d'air forcé à une température acceptable de sorte qu'il soit en mesure d'assurer le conditionnement de tous les éléments contenus dans la structure d'accueil.35 La figure 6 présente un premier mode de réalisation du dispositif de conditionnement selon l'invention, et plus particulièrement des moyens pour réaliser le refroidissement régulier du courant d'air forcé 61 réalisant le conditionnement proprement dit, courant d'air est assuré par des moyens connus par ailleurs, tels que des ventilateurs 65 par exemple. Selon ce premier mode de réalisation les moyens réalisant le refroidissement du courant d'air forcé, matérialisé par les flèches 61, sont constitués par des dispositifs échangeurs de chaleur 62, placés dans les intervalles séparant deux rangées de cartes consécutives. Ces dispositifs sont configuré de façon à ce qu'après avoir traversé un échangeur le courant d'air 61 dont la température s'était élevée après avoir traversé une rangée 63 de cartes électroniques retrouve une température donnée permettant de refroidir de manière suffisante la rangée de cartes électroniques 64 qui suit. Selon une variante de ce mode de réalisation les échangeurs utilisés sont des échangeurs de type air-air qui transfèrent l'énergie thermique véhiculée par le courant d'air 61 vers l'air extérieur à la structure d'accueil. Selon une variante alternative, les échangeurs 62 utilisés sont des échangeurs de type air-liquide qui transfèrent l'énergie thermique véhiculée par le courant d'air 61 vers un fluide caloporteur lui-même refroidi par un système d'échange thermique 66 situé à l'extérieur de la structure d'accueil.

La figure 7 présente un second mode de réalisation du dispositif de conditionnement selon l'invention, et plus particulièrement des moyens pour réaliser le refroidissement régulier du courant d'air forcé 61 réalisant le conditionnement proprement dit. Selon ce second mode de réalisation, les moyens réalisant le refroidissement du courant d'air forcé 61 sont constitués par des moyens permettant d'effectuer un apport d'air frais au courant d'air forcé 61. Ces apports d'air frais, matérialisés par les flèches 72, sont réalisés au niveau des espaces libres 71 séparant des rangées consécutives 73 et 74 de cartes électroniques. Selon la variante de réalisation considérée cet apport d'air frais peut être réalisé comme l'illustre la figure 7 au moyen d'une canalisation 75 placée à l'intérieur de la structure d'accueil et chargée de véhiculer un courant d'air frais jusqu'au niveau de chacun des intervalles séparant les rangées de cartes électroniques.

Selon une autre variante un courant d'air frais peut être acheminé séparément au niveau de chacun des intervalles séparant les rangées de cartes électroniques.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de conditionnement thermique d'une structure d'accueil comportant des équipements électroniques (14) dissipateurs d'énergie thermique, ces équipements étant agencés dans la structure d'accueil selon des rangées (22) superposées suivant une direction donnée, chaque rangée étant constituée d'équipements (14) juxtaposés, chaque équipement étant séparé de ses voisins par un espace libre, chaque rangée étant en outre étant séparée des rangées voisines par un espace libre, caractérisée en ce qu'il comporte des moyens (65) pour assurer la circulation d'un courant d'air forcé (61) dans une direction parallèle à la direction de superposition des rangées d'équipements ainsi que des moyens (62, 75) pour assurer un rafraichissement régulier du courant d'air forcé au cours de son déplacement dans la structure d'accueil, ces moyens étant agencés au niveau des espaces libres (51, 71) séparant chacune des rangées d'équipements (22).
2. 2. . Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour assurer un rafraichissement régulier du courant d'air forcé au cours de son déplacement dans la structure d'accueil, comportent une pluralité d'échangeurs thermiques (62), un échangeur thermique étant disposé dans l'espace (51) séparant deux rangées d'équipements (22) consécutives, chaque échangeur réalisant le refroidissement du courant d'air (61) sortant d'une rangée avant que celui-ci ne pénètre dans l'autre rangée.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour assurer un rafraichissement régulier du courant d'air forcé au cours de son déplacement dans la structure d'accueil, comportent une canalisation (73) configurée pour acheminer au niveau de chaque espace (71) séparant deux rangées (63, 64) juxtaposées un courant d'air forcé frais (72) qui vient se mélanger au courant d'air (61) sortant d'une rangée (73) de façon afin d'abaisser latempérature de ce dernier avant qu'il ne pénètre dans la rangée suivante (74).
4. 4. Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé en ce que ces moyens pour assurer un rafraichissement régulier du courant d'air forcé au cours de son déplacement dans la structure d'accueil, comportent une pluralité de moyens de ventilation forcée agencés au niveau des espaces (71) séparant les rangées juxtaposées (73, 74), un moyen de ventilation forcée comportant une turbine configurée et ~o agencée pour insuffler de l'air extérieur à la structure dans l'espace (71) séparant ces deux rangées.