一种具有多模块独立散热风道的密封机箱的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有多模块独立散热风道的密封机箱，机箱由左侧板、右侧板、前框架、后框架、中隔板组成箱体的承重骨架，独立风道腔通过其自身两端的焊接法兰定位端面与预先加工出各标准插件安装所需的楔形锁紧器通用插槽的左侧板、右侧板焊接在一起，独立风道腔内设计有模块插件散热所需的内翅片。阵列压电平面风机组件安装在左侧板上并且风机叶片位于独立风道腔内部，并与一维阵列形式的内翅片的形成对应关系。左封板与右封板安装在左、右侧板上，左、右封板开有若干阵列孔，起到保护风机叶片并兼顾通风过滤的效果。
【专利说明】
一种具有多模块独立散热风道的密封机箱
技术领域
[0001]本发明属于机械和电路两个领域，具体涉及一种具有多模块独立散热风道的密封机箱。
【背景技术】
[0002]多个通用的CPCI/VPX插件或电源模块常通过母板进行信号传输，母板位于印制板底端且与印制板插件垂直。印制板插件由印制板、锁紧器和冷板组成，印制板末端的连接器与母板上的连接器插合后，通过锁紧器的摩擦力固定在机箱内壁的竖梁上。传统ATR机箱的两侧壁内钎焊有散热翅片，机箱尾部安装风机，印制板上芯片的热量通过绝缘的柔性导热垫传到冷板，然后通过插件两端的锁紧器将热量传递到机箱的侧壁。由于冷板在法向方向的截面积较大，而在热传递的主要方向上的截面积较小，热阻较大。在热传递方向上，锁紧器处于冷板和机箱侧壁散热翅片之间，锁紧器为楔形块结构，自身存在较大的热阻。所以热量从发热芯片传递到机箱侧壁散热翅片存在较大的热阻，尽管热量传递到左右侧板翅片后通过风机对流散热可以将热量带走，但是由于在热传递的中段存在较高的热阻，整个机箱的散热效率不高。
[0003]目前针对热传递中段存在较高的热阻，常采取以下两种措施。一、在冷板中埋入热管，将热量高效地引导到左右锁紧器的区域。二、改进锁紧器结构，增大锁紧面积与导热面积。这两种措施实际工程实现存在一些弊端，首先热管自身的工作原理为毛细蒸发冷凝散热，当整个系统处于超重、失重或者有向心、离心加速度时，若反向力超过蒸发升腾力，会导致热管失效，实际工作环境中存在的周期性振动对热管的热转移效果也存在很大的影响；另外虽然热管自身的成本不是很高，将热管与冷板集成存在一定的技术上的复杂性，有时还涉及到热管能正常工作的最短长度尺寸；而且由于热管排布、走向位置与发热芯片位置有关，并且整个集成热管的冷板不具备通用性与模块化要求。
[0004]其次，不管如何优化锁紧器结构，由于其自身的热阻存在，总会引起温升。并且过大的锁紧面积会占用印制板的可用面积，不符合标准的CPCI/VPX母板总线定义所需的布线尺寸。
[0005]除此之外，将ATR机箱设计为开放式的机箱，通过风机直接对流散热也是一种常见处理机箱内部热量较高的一种方法。此时需在锁紧器的安装槽加工许多通风孔，印制板热量通过导热垫传递到冷板表面散热翅片，这种方法散热虽然效率较高，但是由于每个插槽见通风孔不可能理想的位于风机的出风口下发，会出现某些插槽通风孔散热流量不均匀，并且由于机箱不是密封设计设计，整个设备的环境适应性不好。
[0006]开放式的ATR机箱常进行一些密封的升级措施，以达到机箱良好的环境适应性。机箱外围再包裹一层密封壳体，以形成内外两个循环风道，两个热循环在内外两个分割端面进行热交换后，由外循环与外界进行热量交换散热。这种内外两个循环换热的方法可以集中地解决开放式ATR机箱密封后的换热难题，其核心在于内外换热器的热交换，其原理等于是在内腔通过对流热风将换热器一面吹热，然后热量以传导方式传递到另一面的散热翅片，通过外界风冷，将热量带走。这种内外循环换热的方法可以进行ATR机箱的高效换热，但其散热的瓶颈在于:核心换热器若采取目前传统的内外双翅片的形式换热效率较低，并且有时为了增大内外循环的风压，所要求的产生内外循环对流的风机需很大的风压和流量，直接导致风机功率过高以及噪声过大。当整机有低功耗要求时，不推荐使用这种方式。
[0007]本发明在不改变传统ATR机箱的结构形式，包括标准机箱尺寸、标准母板尺寸以及各标准插件模块尺寸的前提下，通过结构上创新的设计独立风道，配合使用压电平面风机，高效地满足多个标准模块插件的散热要求。
【发明内容】
[0008]要解决的技术问题
[0009]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有多模块独立散热风道的密封机箱。
[0010]技术方案
[0011]—种具有多模块独立散热风道的密封机箱，目的是完成其内装多个3U(6U)标准的CPCI/VPX印制板插件模块的结构固定以及满足模块的大功率、高热密度的散热需求，并使其具备良好的高低温、湿热、盐雾以及EMC等环境适应性。
[0012]标准模块插件的散热主要靠传导和对流完成，传递到插件自身冷板表面的热量通过接触行程冷板或柔性导热垫+铜箔，以较低的热阻传递到独立密封风道，通过一维压电平面风机阵列直接作用于风道内的散热翅片进行对流换热。压电平面风机阵列安装在机箱的左侧板的入风口处，并且风机叶片深入到密封风道腔体内部与内翅片对应。流经内翅片的冷却流从机箱的右侧板的出风口流出。多个独立的密封风道与模块插件的安装方向一致，连通左、右侧板的各个入风口和出风口，且彼此相互独立，通过压电平面风机精准地作用在一维散热翅片长度方向，达到流经各独立密封风道的冷却流流量均匀。
[0013]—种具有多模块独立散热风道的密封机箱，其特征在于包括左侧板、右侧板、前框架、后框架、中隔板、独立风道腔、内翅片、左封板、右封板和阵列压电平面风机组件；由左侧板、右侧板、前框架、后框架、中隔板组成箱体的承重骨架，独立风道腔的两端分别焊接在左侧板和右侧板上，独立风道腔为中空结构，内表面设有一维阵列形式的内翅片，阵列压电平面风机组件安装在左侧板上并且风机叶片位于独立风道腔内部，风机叶片与内翅片平行放置;左封板与右封板分别安装在左、右侧板外侧，左、右封板上对应阵列压电平面风机组件处开有若干阵列孔。
[0014]可将右封板替换为右风机板，在右风机板上安装轴流风机。
[0015]有益效果
[0016]本发明提出的一种具有多模块独立散热风道的密封机箱，该机箱可安装多个通用的3U或者6U标准模块(印制板)插件，这些通用的CPCI /VPX插件或电源模块的热密度较大，均有较高的散热要求，机箱采用低热阻传导、压电风机风冷翅片散热与密封设计技术，机箱内各模块工作在密闭环境条件下，具备良好的环境适应性与电磁兼容性。该机箱突破了传统ATR标准机箱的设计瓶颈，在外形尺寸与安装结构接口不变的前提下，解决了传统ATR机箱内各大功率散热模块插件的散热难题。
【附图说明】
[0017]图1为一种具有多模块独立散热风道的密封机箱
[0018]图2为一种具有多模块独立散热风道的密封机箱内部图
[0019]图3为一种具有多模块独立散热风道的密封机箱内部图
[0020]图4为压电平面风机一维阵列示意图
[0021 ]图5为一种具有多模块独立散热风道的密封机箱安装轴流风机时结构图
【具体实施方式】
[0022]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0023]机箱设计的创新点在多个独立密封风道的结构实现以及满足多个风道的均匀换热要求。
[0024]机箱的结构形式与传统的ATR机箱相同，机箱底端面安装共用的标准母板。各CPCI/VPX插件与母板接插后，通过楔形块锁紧器靠摩擦力安装固定在机箱侧壁各槽位的锁紧块安装锁紧面上。在进行传统的ATR机箱设计时，侧板是换热的核心零件，机箱左右侧壁采用软铝材料，内壁靠铣削加工成标准槽位锁紧端面，外壁钎焊叠着后的散热翅片。翅片由厚度为0.2mm的铝箔叠制而成。焊接时在叠制的翅片与侧板外壁之间填充焊剂，真空钎焊时，焊剂融化将翅片与侧板融为一体。散热风机安装在机箱后端。各插件热量通过楔形块锁紧器传递到侧板，冷却流流经机箱两侧侧板上焊接的翅片，通过风机对流将热量带走。
[0025]不同于传统ATR机箱的是，可安装多个标准模块且在每个模块具有独立散热风道的全密封机箱的两个侧壁上分别加工有若干个与各槽位对应的长条矩形孔，分别作为进风和出风使用。针对每个安装槽位均设计有独立风道，风道的进风口和出风口分别是左右侧板的长条矩形孔，该风道与机箱内腔体是相互独立的。风道内部的翅片沿水平方向排列，采用0.2mm的铝箔叠制成阵列翅片后与机箱钎焊在一起，要说明的是翅片并不是布满整个内风道，在进风口处预留40_左右的区域供安装压电平面风机用。压电平面风机采用一维阵列安装的方法，叶片振动方向与铝箔叠制翅片方向相同。针对每个标准插件槽位均设计有相同的独立密封风道。风道的入口在左侧板，出口在右侧板。从机箱内部看，该风道的外表面紧邻标准模块插件冷板。当插件模块拆卸频率不是很高时(比如电源模块)，常在风道外表面贴服有弹性较大的柔性导热垫并粘接铜箔，使用铜箔填充在导热垫片与电源模块之间的原因是导热垫片表面摩擦阻尼较大，直接插入会导致柔性导热垫片径向撕裂。铜箔与柔性导热垫片以高导热率填充在模块插件冷板与风道外表面之间。当模块有较高的拆卸要求时，两者之间安装接触行程冷板，以较低的热阻实现印制板热量到机箱风道翅片的传递。各CPCI/VPX插件上发热芯片热量以较低的热阻传递到风道内表面，风道内翅片与外界相通，通过压电平面风机对流换热与外界进行热交换。压电平面风机是利用压电陶瓷的逆压电效应，在驱动电压的交互作用下，压电陶瓷会产生振动，经叶片放大，形成平面强制气流将印制板发热芯片热量带走。压电平面风机功耗低至0.1W，无机械旋转。这种风机直接作用于阵列的散热翅片的翅片长度方向，叶片宽度约5mm，与散热翅片高度相当。
[0026]机箱的上、下盖板安装密封可以采用安装导电密封垫或者导电密封绳的常见方法。当机箱没有宽度尺寸限制时，最好在出风口处安装传统的轴流风机，以增大对流换热的效率。当然也可以在各独立风道入风口处不使用压电平面风机，而是仅钎焊散热翅片，在出风口处仅使用传统的轴流风机同样能达到散热要求，只不过此时不能保证流经各独立风道冷却流的均匀性，不能使该机箱的散热性能达到最优。
[0027]以下为标准3U模块对应的机箱具体实现，标准6U模块与之结构相同。机箱工艺实现时有两种方法，一种是采用真空铝钎焊拼接的方法，另外一种是采用软铝铝棒机械加工的方法。3U机箱由于尺寸较小，采用铝棒机械加工的成本较小，6U机箱由于尺寸较大，仅能采用钎焊焊接的方法，当然，若不考虑加工成本，也可以考虑直接铸造成型，此时各独立风道内散热翅片靠线切割完成。考虑到3U与6U工艺实现的通用性，以下描述真空铝钎焊的成型方法。
[0028]—种具有多模块独立散热风道的密封机箱，机箱由左侧板1、右侧板2、前框架5、后框架6、中隔板15组成箱体的承重骨架，独立风道腔3通过其自身两端的焊接法兰定位端面与预先加工出各标准插件安装所需的楔形锁紧器通用插槽的左侧板1、右侧板2焊接在一起，独立风道腔3内设计有模块插件散热所需的内翅片4。阵列压电平面风机组件12安装在左侧板I上并且风机叶片位于独立风道腔3内部，并与一维阵列形式的内翅片4的形成平行关系。左封板10与右封板11安装在左、右侧板上，左、右封板开有若干阵列孔，起到保护风机叶片并兼顾通风过滤的效果。
[0029]机箱左侧板I与右侧板2设计有针对各模块插件槽位的独立的进风口和出风口，与进风口、出风口贯通的是各个独立的风道腔3。独立风道腔3位于左侧板1、右侧板2的各标准模块插件安装固定用锁紧插槽之间，并垂直于左、右侧板端面，与印制板插件安装方向相同，不额外占用槽位。独立风道腔3的内表面设计有内翅片4，该内翅片4为翅片长度方向与冷却流方向相同的一维阵列散热翅片。标准模块插件芯片上的热量通过柔性导热垫传递到插件自身冷板，然后通过柔性导热垫+铜箔(或接触行程冷板17)以较低的热阻传递到独立风道腔的散热内翅片上，靠阵列压电平面风机组件精准地产生平面冷却气流将热量带走。
[0030]当有最佳散热效果要求时，可以阵列压电平面风机组件12和轴流风机19配合使用；当对各独立风道的冷却流的均匀性不作严格要求时，此时不再安装阵列压电平面风机组件12，并将右封板11替换为右风机板18，其上安装轴流风机19。
[0031]参见图2，左侧板I与右侧板2在焊接前已经进行机械加工，预制出楔形块锁紧器的多个固定插槽以及各风道的进风口和出风口。独立风道腔3为多个相同的矩形中空体，当进行样机试制时，其内翅片4可以采用铝箔叠制后与独立风道腔3焊接在一起，批量生产时，两者在可采用预拉伸型材直接模具大批量生产。考虑到焊接时零件的收缩或变形引起的零件定位偏移，在左、右侧板与独立风道腔3焊接的配合面均加工有焊接法兰定位端面，该端面兼有焊接定位与增大焊接面积的作用。前框架5与后框架6同样固定于左、右侧板之间，用于组成整个机箱的骨架。前面板7安装在前框架5上，提手8与连接器9安装在前面板上7，前面板底部区域预留机载机箱前挂架的安装孔。后框架6底部区域预留机载机箱后销孔位。参见图1，左封板10安装于左侧板I上，左封板10上开有若干各直径3mm的阵列孔，这些孔位于风道进风口上方。右封板11同样开有若干直径3mm的阵列孔，这些孔同样位于风道出风口上方。阵列压电平面风机组件12位于左封板10阵列孔下方，该组件周圈设计有安装法兰，通过该法兰安装在左侧板I上。密封圈垫13安装在阵列压电平面风机12下方，压紧在左侧板I上。上盖板13与下盖板14分别密封整个机箱的上下端面。参见图3，中隔板15安装在左、右侧板之间，主要是分割机箱内腔区域，前腔区域用于机箱内安装的标准母板与前面板7上的连接器9走线，另外部分滤波器或者继电器可以安装在中隔板15上面。
[0032]3U标准模块插件16安装固定在机箱内部的插槽内，其热量通过自身冷板与接触行程冷板17(或柔性导热垫+铜箔)以较低的热阻传递到独立风道的外壁，热量以传导的方式传递到内壁上的阵列的散热翅片4，阵列压电平面风机12将高速的平面气流稳定、精准的直接作用于散热翅片4，解决了狭小空间内高密度热源的散热难题。冷却流从左封板10上的阵列孔进入，从右封板11上的阵列孔流出。
[0033]当对各独立风道的冷却流的均匀性不作严格要求时，可将右封板11替换为右风机板18，其上安装轴流风机19，此时压电平面风机12可以不安装。当要求达到最佳散热效果时，可以压电平面风机和轴流风机配合使用，此时机箱的散热效果最佳。
【主权项】
1.一种具有多模块独立散热风道的密封机箱，其特征在于包括左侧板(I)、右侧板(2)、前框架(5)、后框架(6)、中隔板(15)、独立风道腔(3)、内翅片(4)、左封板(10)、右封板(11)和阵列压电平面风机组件(12);由左侧板(I)、右侧板(2)、前框架(5)、后框架(6)、中隔板(15)组成箱体的承重骨架，独立风道腔(3)的两端分别焊接在左侧板(I)和右侧板(2)上，独立风道腔(3)为中空结构，内表面设有一维阵列形式的内翅片(4)，阵列压电平面风机组件(12)安装在左侧板(I)上并且风机叶片位于独立风道腔(3)内部，风机叶片与内翅片(4)平行放置;左封板(10)与右封板(II)分别安装在左、右侧板外侧，左、右封板上对应阵列压电平面风机组件(12)处开有若干阵列孔。2.根据权利要求1所述的一种具有多模块独立散热风道的密封机箱，其特征在于可将右封板(11)替换为右风机板(18)，在右风机板(18)上安装轴流风机(19)。
【文档编号】H05K5/02GK105992476SQ201610550946
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】方伟奇, 王克军, 胡凯博
【申请人】西安电子工程研究所