用于封装模块的开放框架式电子机架的制作方法

专利名称：用于封装模块的开放框架式电子机架的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有机架和可热插拔的模块的模块化电子系统。更加具体地，本发明 涉及一种具有开放框架式机架的被动冷却式模块化电子系统，该开放框架式机架允许空气 在附近流动并且通过多个模块地流动，每一个模块均在其内封装有发热电器件。
背景技术：
在过去，已经存在具有带有各种模块的机架的很多不同类型的模块化电子系统， 所述模块能够被与机架的背面相互连接。然而，当它们在使用中时，模块中的电部件趋向 于产生大量的热量。因此，为了适应由电部件产生的热量，这些传统电子系统通常使用风 扇或者其他空气移动装置以迫使空气横跨所述模块流动从而耗散所产生的热量。然而，由 于多个原因，在恶劣环境中，强制空气冷却的模块化电子系统并不良好地操作。首先，在恶 劣环境条件中，并不总是能够使得风扇是可操作的并且风扇故障可能并不即刻地变得是 明显的，这可能在注意到风扇故障之前引起其他部件故障。第二，在趋向于还是肮脏条件 的恶劣环境条件中，空气通常具有尘土和在其中包含的其他气载污染物，从而围绕精密电 子部件永久地强制空气可能最终引起并不期望的故障，从而降低模块的“平均故障间隔时 间”(MTBF)。为了解决一些MTBF问题并且提供更加可靠的操作，在过去已经在一些恶劣环境 条件中使用了传导冷却的已封装机架。然而，因为传导冷却的已封装机架已被封装，所以它 们不是模块化的而且并不允许通过交换其中的模块而进行系统重构。进而，即便单一部件 发生故障，这种传导冷却的已封装机架也应该被全部地更换。结果，这种传导冷却的已封装 机架引起现场维护和更换问题，这使得平均修复时间(MTTR)降低。进而，除了针对包括尘土、污垢和热的恶劣环境条件保护电部件，还期望相对于冲 击和振动保护电气器件。急剧的冲击或者长时间的振动可以引起高度敏感的电子器件发生 故障，由此也降低了平均故障间隔时间(MTBF)。据此，在本技术领域中需要提供一种能够在恶劣环境中操作而不使用强制空气冷 却系统的模块化电子系统。在本技术领域中还需要一种耐受环境条件例如污垢、振动和冲 击以实现所期MTBF和MTTR水平的模块化电子系统。

发明内容
据此，本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的一些缺点。而且，本发明的目 的在于提供一种改进类型的被动冷却式模块化电子系统。在一个方面，本发明提供了一种开放框架式机架，该机架在顶部、底部和侧面处具 有开口，从而允许空气尽可能地流动通过开放框架式机架。该机架接收具有完全封装在其 中的电部件的模块。该模块具有热沉区域，该热沉区域在一个优选实施例中由与包含在模 块内的电部件热接触的集成散热片构成。模块被插入开放框架式机架中至插入位置并且被 支撑件保持于插入位置处。在插入位置处，模块与开放框架式机架电接触并且模块的热沉区域在开放框架式机架的顶部开口和底部开口之间定向。以此方式，热沉散热片区域从底 部开口竖直地延伸到顶部开口，从而形成跨过热沉区域的空气流动路径。利用由在每一个 模块中的电部件产生并且通过模块而被传导到热沉散热片区域的热量形成的压力差形成 空气压力差，从而产生从底部开口通过热沉散热片区域并且离开开放框架式机架的顶部开 口的对流空气流，这允许由模块中的电部件产生的热量的被动耗散。所述模块封装不同类型的电部件，例如光学收发器、集成电路、微处理器和用于电 力模块的、包括变压器和电容器的放电电路。优选与热沉散热片区域更加紧密接触地在电 路卡组件的顶侧上安装产生更多热量的部件。内部热沉导体和热界面材料被用于促进从电 部件离开并且朝向模块的热沉散热片区域的热量传导。据此，在它的一个方面中，本发明在于一种被动冷却式模块化电子系统，包括开 放框架式机架，该开放框架式机架具有允许周围空气通过那里流动的底部开口和顶部开 口 ；模块，所述模块封装电部件并且具有热沉区域，所述电部件与所述模块的所述热沉区域 热接触；电连接件，所述电连接件处在开放框架式机架上，用于以可移除方式将模块电连接 到开放框架式机架；支撑件，所述支撑件用于在插入位置处保持模块，在插入位置处模块 与该电连接件电接触，并且在插入位置处热沉区域与底部开口和顶部开口相对准，以允许 周围空气从底部开口跨过热沉区域并且离开顶部开口流动，从而被动地冷却模块中的电部 件。在另一方面，本发明在于一种用在被动冷却式模块化电子设备系统中使用的模 块，该被动冷却式模块化电子设备系统具有带顶部开口和底部开口的开放框架式机架，所 述模块包括壳体，所述壳体用于在其中封装电子部件；电连接器，所述电连接器用于将模 块连接到开放框架式机架；热沉区域，所述热沉区域与电部件热接触；其中封装电部件的 壳体被插入在开放框架式机架内的插入位置中，使得电连接器与开放框架式机架电接触， 并且，热沉区域在开放框架式机架的顶部开口和底部开口之间对准，以允许周围空气从底 部开口跨过热沉区域并且离开开放框架式机架的顶部开口流动，从而被动地冷却模块中的 电部件。据此，在一个方面，本发明提供一种开放框架式机架，该开放框架式机架具有允许 周围空气流动通过开放框架式机架的顶部开口和底部开口。以此方式，机架未被封装，而实 际上连接到机架的背面的可热插拔的模块将被暴露于周围空气，并且能够从底部开口到顶 部开口形成对流气流，从而被动地冷却在模块中封装的电部件。以此方式，能够使用自然对 流来被动地冷却在模块中封装的电部件而不使用强制空气冷却。尽管如此，根据需要或者 具体应用的要求还可以使用形式为风扇的强制空气。在本发明的另一个方面，该模块完全地封装它们的电部件，从而无任何周围空气 能够进入模块中。实际上，内部传导表面将热量分布并且转移到在一个优选实施例中包括 模铸集成散热片的、模块的热沉区域。以此方式，能够在模块内朝向热沉区域引导由电气器 件产生的热量，从而以受控方式耗散所产生的热量。进而，因为模块被完全地封装，所以无 需顾虑污垢或者尘土与在模块中包含的电部件形成接触由此增加模块的平均故障间隔时 间。在另一优选的实施例中，所述模块全部具有相同的形状和尺寸。这降低了与制造 模块相关联的成本。优选地模块是由铝制成的，以提供具有合理重量的模块，并且还改进热传递能力。应该理解，一种比较良好的热量导体的任何材料可以优选用作用于模块的壳体。在本发明的另一方面中，关于每一种类型的模块，所述模块优选具有独特的键罩。 模块的键罩优选具有与在机架的背面上的键销配对的键孔，键销在不同的位置中定向从而 每一种类型的模块在背面中的仅能够连接到相应类型的机架电连接件。以此方式，正确类 型的模块将插入正确的插槽中，从而避免破坏在模块和背面上的电连接件。优选地，键销比 电连接件从背面延伸更大的距离，以保证在电连接件接触之前，键销接合模块键罩，由此避 免破坏在模块和背面中的电连接件的可能性。还在背面中选择键销，从而即便不正确的模 块插入插槽中，键销也不将接触模块上的电连接件，而是实际上将接触平坦表面区域，从而 不损坏模块上的任何电连接件。在本发明的另一个方面，所述模块具有导销或者定位销以减轻对于模块，并且更 加具体地，对包含在其中的电部件的振动和冲击。模块导销接合机架中的相应的定位孔，以 将模块紧固到机架。在本发明的另一方面，模块具有在插入方向上沿着模块长度延伸并且接合开放框 架式机架中的通道的横杆。通道可以跨过底部开口和/或顶部开口延伸，但是优选是窄的 以避免过度干扰通过顶部和底部开口的周围空气流动。在插入期间，模块上的横杆接合通 道并且在插入方向上沿着通道滑动直至模块处于插入位置。优选地，横杆远离热沉区域定 位，从而当模块在插入位置中时通道和横杆并不妨碍跨过热沉区域的周围空气流动。在一 个优选实施例中，热沉区域沿着模块的第一侧壁延伸，并且横杆邻近与第一侧壁相对的模 块的第二侧壁沿着模块的底部延伸。在阅读示出本发明和本发明的优选实施例的以下详细说明和附图时，本发明的其 他方面将变得明显。


在示出本发明的实施例的附图中图1是根据本发明的一个实施例支撑在开放框架式机架上并且具有安设在其上 的电子模块的开放框架式模块化电子系统组件的示例性透视图；图2是图1的开放框架式机架和开放框架式机架的背面的示例性绘图，但是未在 其中安设模块；图3是图1所示模块化电子设备系统的示例性前视图，该系统包括安设在根据本 发明的一个实施例的开放框架式机架中的两个电力供应模块(PM)、一个控制模块(CM)、一 个开关模块(SM)和六个通信模块(LM)的；图4是图1所示开放框架式模块化电子系统的示例性顶视平面图；图5是图1所示开放框架式模块化电子系统的示例性右侧视图；图6是图1所示模块化电子系统的示例性后透视图；图7是根据本发明的一个实施例的模块的示例性前透视图；图8a是图7所示模块的侧视图；图8b是图7所示模块的底视图；图8c是图7所示模块的后透视图；图9a是模块的示例性断开侧截面视图，示出根据本发明的一个实施例的内部热量传导路径；图9b是图9a所示模块的透视局部断开截面视图；图10是在每一个模块的散热片区域上方的气流的示例性热学建模；并且图11是示出沿Y轴的温度和沿X轴的散热片间隔(散热片数目)的图解表示，以 不同的散热片间隔表示产生10瓦特的热量和85°C的周围温度的、根据本发明的一个实施 例的模块中的电部件的温度，其中散热片面积是IOOmm乘93mm，散热片高度是14. 8mm并且 散热片厚度是1. 9mm。
具体实施例方式能够通过参考本附图而理解本发明的优选实施例及其优点。在本附图中，类似的 附图标记用于附图的类似的和相应的部分。如在图1和3到6中所示，本发明的一个实施例提供一种如大体上由附图标记10 示出的、被动冷却模块电子系统。被动冷却式模块化电子系统10包括如大体上由附图标记 100示出的开放框架式机架和至少一个并且优选地多个模块900。虽然图1在开放框架式 机架的全部的插槽163中示出模块，但是应该理解模块900可以仅仅存在于某些插槽163中。在图2中更好地示出开放框架式机架100，其中已经从插槽163移除了全部的模 块900。如在图2中所示，开放框架式机架100包括底部开口 130和顶部开口 120。应该理 解优选地底部开口 130和顶部开口 120尽可能地开放同时仍然允许支撑件136在开放框架 式机架100中在插入位置中保持模块900，在图1中大体上由附图标记901示出插入位置。 具有较大的开口 120、130允许空气流得以更加容易地形成和保持。进而，具有较大的开口 120,130防止了能够堵塞较小开口的污垢和尘土的积聚。机架100具有覆盖背面110的机架盖109。背面110包括多个电连接件133。在 一个优选实施例中，并且在下面更加充分讨论地，模块900可以具有相应于模块900的每一 种类型320的、不同类型的模块电连接件333。背面110具有相应于将被插入开放框架式机 架100中的模块电连接件333的每一种类型的、机架电连接件133的相应类型。如图3中 所示，机架电连接件133的类型可以包括电力模块电连接件133p、线路模块电连接件1331、 开关模块电连接件133s和控制模块电连接件133c。通常，可以被插入开放框架式机架中的 相应的插槽163中的模块900的类型320将对应于背面110中的电连接件133。为了保证 一种类型320的模块900不被插入具有不同类型的电连接件133的插槽163中，背面110 包括接合模块900中的相应的键孔380的键销170。模块900还具有大体上由附图标记330示出的热沉区域。这个热沉区域330便于 耗散由模块900中的电部件产生的热量。模块900中的电部件902与模块900的热沉区域 330热接触以便将由电部件902产生的热量转移到热沉区域330。如在图9A和9B中所示，模块900在其中封装电部件902。电部件902可以是能够 在模块900中封装并且在机架100中使用的、任何类型的电部件902。在图9A中，模块900 被示为具有在子外围部件板(PCB)920上的底部级光学收发器热源和在主PCB 930上的顶 部级光学收发器热源。然而，应该理解能够在模块900内包含任何类型的电部件902。模块 900还具有与机架电连接件133配对从而将模块900以可移除方式电连接到开放框架式机
8架100的、用于相应的电部件902的电连接件333。如在图1中所示，支撑件136在插入位置901处保持每一个模块900，在此处模块 900与开放框架式机架100的电连接件133电接触，并且，热沉区域330与开放框架式机架 100的底部开口 130和顶部开口 120相对准。这允许空气从底部开口 130跨过热沉区域 330并且离开顶部开口 120沿着空气流动路径134流动，以被动地冷却模块900中的电部件 902。图10示出带有越过多个模块900的每一个热沉区域330的相应的空气流动路径 134的热沉区域330的区域。当热沉区域330由于由所封装的电部件902产生的热量而变 得较热时，当围绕热沉区域330的热空气被加热、膨胀并且升高时将产生压力差。另外的 周围空气然后将流入以取代在前已被加热的空气，从而产生从底部开口 130跨过热沉区域 330并且离开顶部开口 120的空气流动路径134。进而，具有产生更多热量的部件902的模 块900将产生更大的压力差，由此跨过热沉区域330将另外的空气流134抽吸到较热的模 块900。以此方式，被动冷却模块化系统10是自行调节的，这在于，具有产生更多热量的部 件902的模块900将相应地产生进一步的空气流，以进一步地促进热量耗散。如在图中所示，在一个优选实施例中，热沉区域330包括具有多个散热片331的热 沉散热片区域332。当模块900在插入位置901中时，散热片331优选地沿着图1所示的竖 直轴线VA延伸。以此方式，由电气器件902产生并且被传导到热沉散热片区域332的热量 将促进跨过热沉区域330的空气的加热和上升。据此，应该理解优选地开放框架式机架100 定向成使得热沉散热片区域332被竖直地定向，然而应该理解其他定向仍然是可操作的， 但是可能不是那么有效率的。还优选的是，在开放框架式机架100的顶部和底部开口 120、 130和搁架(未示出)中的其他元件(未示出)之间存在间隔从而允许周围空气流动。这 个间隔优选地是1. 75英寸或者更大。在一个优选实施例中，其中热沉区域330包括具有多个散热片331的热沉散热片 区域332，散热片331被以在6mm和14mm之间的距离分离。更加优选地，散热片331被以在 9mm和12mm之间的距离分离并且具有14mm到20mm的高度。已经基于如在图11中所示的 建模而确定了这种优选的定向和尺寸。特别地，图11是示出以摄氏度为单位沿着轴线Y的 温度和散热片间隔以及沿着X轴的在托架中的散热片数目的图解表示。在图11中示出的 模型是基于在85°C的周围温度环境中并且具有产生10瓦特的热量的电部件902的、如在图 8a到图8c中所示的模块900的。假定热沉散热片区域332恒定地为IOOmm乘93mm并且高 度被视为14. 8mm并且散热片厚度是1. 9mm。应该理解虽然散热片331的数目增加，但是散 热片间隔降低，因为散热片区域332保持是恒定的。因此，在热沉区域330中的可能的散热 片331的数目和在散热片331之间的间隔之间存在平衡。如在图1中所示，当散热片331被 以6mm和14mm的距离分离时，温度明显地降低。更加优选地，当散热片331被以在9mm和 12mm之间的距离分离时，温度存在进一步的明显下降。在其中散热片的高度是14. 8mm的目 前的情形中，但是还将在其中假设开放框架式机架100中的模块900的间隔和模块900中 的部件902的定向允许散热片331的这个高度时散热片高度延伸至20mm的情形中，特别地 是这样的。除了顶部和底部开口 120、130，开放框架式机架100还优选地包括如例如在图5和 6中所示的左侧开口 151和右侧开口 152。这允许通过侧面开口 151、152增加跨过被插入
9端部插槽164、165中的模块900的周围空气流动。因此，优选的是趋向于产生最多热量的 模块900将被置于端部插槽164、165处。因为电力模块320p趋向于产生最多热量，所以如 果端部插槽164、165具有电力模块电连接件133p，则这是优选的。以此方式，趋向于产生最 多热量的电力模块320p将具有空气跨过热沉区域330从左侧开口 151和右侧开口 152流 动的、增加的益处。图3示出还根据它们的两字母代码识别的、不同类型的模块320p、1、s、C。例如， 如在图3中所示，端部插槽164、165具有被插入其中的电力模块(PM)320(p)。如以上所讨 论的那样，这是优选的，因为电力模块PM 320 (ρ)产生最多热量并且开放框架式机架100具 有侧面开口 151、152。如还从图3明显地，由于将在下面更加充分地讨论的原因，电力模块 PM 320(ρ)被反置。图3所示的其他模块包括执行不同功能的线路模块(LM) 320(1)、开关 模块(SM) 320 (s)和控制模块(CM) 320 (c)。应该理解在每一个模块900中的电部件902将 在网络中执行特殊的功能。每一个模块900优选地在它们的前输入/输出侧312上具有外部连接件。这些电 连接件包括光纤连接件401、RJ45连接件402和D超小型连接件403。然而应该理解任何 类型的连接件可以存在于模块900的输入/输出侧312上。每一个模块900还具有面板安装螺钉314。面板安装螺钉接合开放框架式机架100 上的孔以朝向机架100的背面110驱策模块900。模块900还可以具有用于提升和移动模 块900的手柄322。应该理解如果模块900具有可能比较沉重的金属壳体903，则模块手柄 322便于移动模块900。如以上示出地，机架100将具有用于连接到相应的不同类型320的模块900的、不 同的电连接件133、p、1、s和C。不同类型320p、1、s、c的模块900将连接到相应的机架电 连接件133p、l、s、c并且在热沉区域330在此处与底部开口 130和顶部开口 120相对准的 插入位置901处将为每一种类型320p、1、s、c的模块900存在支撑件136。在这个插入位 置901中，空气流动路径134允许空气从底部开口 130跨过每一个模块900的热沉区域330 并且离开顶部开口 120流动，以被动地冷却在每一个模块900中的电部件902。为了防止利用非相应的类型的机架电连接件133不正确地插入不同类型的模块 900，系统10包括与每一种类型的电连接件133p、1、s、c相关联的键销170。每一个键销 170具有用于每一种类型的机架电连接件133p、1、s、c的唯一的定向并且与在每一种类型 320p、l、s、c的模块900的模块键罩336上的、例如在图8a到8c中示出的相应的键孔380 配对。如例如根据图2明显地，键引导件170将处于相应于电连接件133p、1、s、c的类型 的、在背面110中的不同的位置。以此方式，如果非正确类型320p、l、s、c的模块900被插 入插槽163之一中，则键销170将不与在模块900的模块键罩336上的相应的键孔380配 对，由此防止将模块900完全地插入插槽165的插入位置901中。优选地，键引导件170比 机架电连接件133更长。以此方式，键引导件170将在机架电连接件133接触非正确的模 块电连接件333的键罩336之前接触模块900，这能够避免或者减轻由于利用并不对应于用 于那种类型320p、1、s、c的模块900的模块电连接器333的类型的机架电连接件133p、1、 s、c将一种类型320的模块900不正确地插入插槽165中而引起的任何潜在损坏。模块还优选地包括例如在图8a到图8c中示出的模块引导定位销370。这些模块 引导定位销370与在机架100的背面110中的相应的定位孔180(图2所示)配对以在模块900和开放框架式机架100之间减小振动并且避免冲击。优选地，如例如在图8c和图9b 中所示，模块引导定位销370位于每一个模块900的四个角部处。应该理解使得模块引导 定位销370尽可能远地分开并且处于模块900的角部将改进对于包括旋转和振动作用力的 外部作用力的阻力。虽然可以使用另外的模块引导定位销370，但是已经发现在模块的角部 处具有四个模块引导定位销370提供了适当的振动和冲击抑制。在一个优选实施例中，如在图1和2中所示，支撑件136包括在机架100中的通道 160。为每一个插槽165存在至少一个底部通道162。底部通道162跨过底部开口 130延 伸，并且被设计成以最小的方式影响底部开口 130的尺寸和通过那里的空气流动路径134。 在一个优选实施例中，还为每一个插槽165跨过顶部开口 120提供顶部通道161。优选地， 顶部通道161沿着竖直轴线VA与底部通道161相对准，从而以最小的方式影响还基本与竖 直轴线VA相对准的空气流动路径134。模块900具有用于接合底部通道162的至少一个横杆360，和在一个优选实施例 中如果存在的话、用于接合顶部通道161的顶部横杆361。在插入期间，沿着如例如图1中 所示的插入方向ID插入模块900。在模块900沿着插入方向ID插入到插入位置901时， 底部横杆360接合底部通道160，在插入位置处热沉区域330与底部开口 130和顶部开口 120相对准以允许从底部开口 130跨过热沉区域330并且离开顶部开口 120的周围空气流 动134从而被动地冷却模块900中的电部件902。如果存在顶部通道101，则在一个优选实 施例中，在沿着插入方向ID插入模块900时，顶部横杆361将接合顶部通道161。如在图7中所示，横杆360、361沿着模块900沿着插入方向ID延伸。在一个优选 实施例中，横杆360、361远离模块900中的热沉区域330定位。这是部分地为了使得接合 底部横杆360的通道160远离热沉区域330定位，从而不会大大地影响围绕热沉区域330 的空气流动路径134。在一个优选实施例中，如在图8A到8C中所示，热沉区域330位于壳 体903的第一侧壁391上并且横杆360位于与第一侧壁391相对的第二侧壁392上。以此 方式，横杆360和通道160将远离热沉区域330定位，以减轻它们对空气流动路径134的干 涉。如最好地在图4中所示，机架100包括反向通道160r。反向通道160r允许沿着反 向定向插入模块900。如例如在图4中所示，除了在端部插槽164中插入的模块900，每一 个模块900的热沉区域330面向右。这被设计成允许在端部插槽164中插入的模块900的 热沉区域330面对左侧开口 151以增加跨过热沉区域330的空气流动134。如还在图2中 所示，在端部插槽164、165处的机架电连接件133p被反置。以此方式，即使电力模块320 在外部是基本相同的，它们也能够连接于任一端部插槽164、165处，并且仍然使得热沉区 域330面对如图5和6中所示的、相应的侧面开口 151、152。即便电力模块PM 320p在外部 是基本相同的，包括键罩336，也是这种情形，这降低了制造成本并且还降低了使用者应该 购买的电力模块PM 320p的数目，因为在端部插槽164中的电力模块320p在插入位置901 处将处于反向定向。在另一优选的实施例中，模块900全部具有相同的外部壳体。通过仅仅要求单一 形式来形成壳体903，这降低了每一个模块900的制造成本。进而，通过允许将相同的壳体 903用于封装各种类型的电部件902，这降低了模块900的维护成本。进而，优选的是壳体902是由热传导材料制成的从而允许从电部件902到热沉区域330的热量传导。在一个优选实施例中，壳体903是由包括但是不限于铝和铝合金的各 种热传导材料制成的。在一个优选实施例中，使用铝合金压铸制造壳体903。如以上所示， 全部模块900优选地是准确地相同的，除了键罩336，具有通用罩体903。开放框架式机架 100可以由足够刚性的材料例如但是不限于包括铝合金而且还包括聚合物的金属、陶瓷和 合成材料形成。虽然是优选的，但是被用于制造开放框架式机架100的材料不需要是热传 导性的。然而，被用于制造开放框架式机架100的材料应该具有充分的刚度，以允许用于允 许空气流动路径134形成的几个开口 120、130、151、152。图9A和9B示出模块900的内部热量传导路径。如在图9A和9B中所示，在该实 施例中，电部件902包括在子PCB 990上的底部级光学收发器热源920和在主PCB 980上 的顶部级光学收发器热源930。热界面材料970降低了在底部级光学收发器920和模块罩 体前部950之间的接触热阻。模块罩体前部950可以用作热沉，即使它并不具有散热片331 并且还可以用作向热沉区域330传导热量的传热器或者导体。在一个优选实施例中，如在图9A和9B中所示，热沉区域330包括与总体模块壳体 903 一体地形成的模块化集成热沉散热片区域940。特别地，模块罩体前部950和模块集成 热沉散热片区域940由相同的集成部件制造，以有助于从底部级收发器920到热沉区域940 的热量转移。进而，模块900包括位于中间并且与主PCB 980上的顶部级光学收发器热源930 和壳体903热接触的模块PCB夹杆960。特别地，模块PCB夹杆960与模块900的第二壁 392热接触，模块900的第二壁392依次与热沉区域330位于此处的第一壁391热接触，并 且在一个优选实施例中在其中形成集成热沉散热片区域940。以此方式，PCB夹杆960有助 于从顶部级光学收发器930和主PCB 980到第二壁392和集成热沉区域940的热量转移。进而，模块900包括内部热沉910。内部热沉910用作从主PCB 980和子PCB 990 这两者到热沉区域330的热量的传热器或者导体。更加具体地，总体热沉910从底部级光 学收发器920和顶部级光学收发器930到热沉区域330转移热量，热沉区域330在一个优 选实施例中包括集成热沉散热片区域940。据此，内部传热器910被封装于模块壳体903内 并且与电部件902热接触，并且便于向在模块900内部的热沉区域940转移由内部部件902 产生的热量。为了进一步促进从内部传热器910到集成热沉散热片区域940的热量转移， 内部传热器使用热传导紧固器972而被紧固到在这个优选实施例中包括集成热沉区域940 的热沉区域330，以促进从内部传热器910到集成热沉区域940的热量转移。可以由包括 铝、铝合金、钢、铁以及各种金属和金属合金的任何传导材料制造热传导紧固器972。还应该理解可以使用整个壳体903来向热沉区域940转移由电部件902产生的热 量，以被动地将热量散逸到周围空气。进而，即使在并不具有散热片331的部分，例如模块 前部950以及第二壁392中，壳体903也将有助于将热量转移到周围空气。如还在图9A和9B中所示，模块引导定位销370优选与壳体903 —起地形成。以 此方式，振动和冲击能够得以减轻。进而，因为它位于模块900内部和主PCB 980和子PCB 990之间，所以内部传热器910进一步促进衰减在模块900内的振动。另外，如此选择模块 PCB夹杆960，使得主PCB 980和子PCB 990在模块900内适配。这减小了对于部件902的 振动和冲击。进而，通过在底部级光学收发器920上的热界面材料970，这还增加了在各种 电部件902和热传导部件，例如模块罩体前部950之间施加的压力以降低热接触电阻并且增加热量从底部级光学收发器920或者其他电气或者光学部件902到在这个优选实施例中 包括集成热沉散热片区域940的热沉区域330的热传导。据此，在操作中，模块900可以是能够进出开放框架式机架100地“热插拔”的。通 过沿着插入方向ID推动它们，能够将模块900插入相应的插槽165中，所述插槽165具有 适用于模块900的类型320并且还能够与模块电连接件333配对的电连接件133。如果进 行尝试以插入具有并不对应于机架电连接器133的模块电连接器333的、一种类型320的 模块900，则在背面110上的键销170将不与相应的模块键孔380配对，而是实际上将接触 模块键罩336，从而防止将不正确的模块插入到插入位置901中。实际上，当沿着插入方向 ID插入用于相应的插槽163的、正确类型320的模块900时，在背面110中的键销170将与 模块键孔380配对，从而允许沿着插入方向ID将模块900插入到插入位置901。在插入位 置901中，在开放框架式机架100上的机架电连接件133将模块900以可移除方式电连接 到开放框架式机架100的电部件。在一个优选实施例中包括通道160的支撑件136将在插 入位置901处保持模块900，在此处模块900与机架电连接件133电接触，并且在此处，热 沉区域330与开放框架式机架100的底部开口 130和顶部开口 120相对准，以允许从底部 开口 130跨过热沉区域330并且离开顶部开口 120的周围空气流动，从而被动地冷却模块 900中的电部件902。如以上所讨论的那样，模块900封装电部件902并且具有热沉区域330，使得电部 件902与模块900的热沉区域330热接触。模块900的壳体903优选是全部相同的或者具 有基本相同的外部构造，以降低制造成本并且改进模块900的易用性。进而，模块引导定位 销370与在机架180上的相应的定位孔配对，以降低对于模块900的振动和冲击，并且还有 助于最终将模块900并且特别地模块连接器333对准于机架电连接器133。面板安装螺钉 314被拧入开放框架式机架100中，从而沿着插入方向ID在模块900上增加另外的偏压作 用力，以便于机架电连接件133与模块电连接器333之间连接，以及模块引导定位销370和 机架100上的定位孔180接合。应该理解已经根据一种包括开放框架式机架100和模块900以提供模块电子系统 10的被动冷却的系统描述了本发明。尽管如此，也可以使用风扇模块(未示出)或者其他 强制空气系统(未示出)，以促进空气跨过模块900和特别是散热片区域340的循环。而 且，使得电部件902被包含于模块902内防止了污垢和尘土与电部件902形成接触，由此即 便使用强制空气器件(未示出)也提供了一个优点。进而，即便强制空气系统(未示出) 被连续地使用，在开放框架式机架100中存在大的开口 130、120以及侧面开口 151、152的 事实也降低了这些开口 120、130、151和152将变得被尘土或者污垢堵塞的可能性。进而， 模块900优选完全地封装电部件902并且针对强制具有在其中夹带的、在恶劣环境中固有 的尘土和污垢的空气的风扇系统(未示出)保护它们。据此，虽然本系统10已被设计成被 动地冷却模块900中的电部件902，但是这并不排除由本发明的被动冷却模块电子系统10 使用一种强制空气系统(未示出)。还应该理解虽然已经关于光学收发器920、930描述了本发明，但是本发明不限于 这些类型的电部件902。实际上，本发明能够由任何类型的电部件902使用。进而，在这方 面，电部件902包括可以产生用于由光纤和/或光学计算机系统使用的光线，例如激光的光 电部件和光学部件。
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在专利权所有人可以根据适用法律作为其自身的词典编纂者的程度上，由此还期 望除了在以上定义的单词之外、在权利要求部分中出现的全部单词应该呈现它们的普通 的、明白的和习惯的含义(除此之外，通常根据字典和/或技术词典而显见)，并且不应该视 为在本说明书中被专门定义。尽管存在对于“专门定义”的推论的这个限制，但是在权利要 求中使用的单词或术语具有多于一个预先形成的含义并且说明书有助于在可替代形式之 间进行选择的情形中，说明书可以用于显示适当的、普通的、明白的和习惯的含义(除此之 外，通常根据字典和/或技术词典而显见)。将应该理解，虽然已经关于本发明的一个或另一个实施例描述了本发明的各种特 征，但是本发明的各种特征和实施例可以被组合或与如这里描述和示出的本发明的其他特 征和实施例相结合地使用。虽然本公开已经描述和示出了本发明的某些优选实施例，但是应该理解本发明不 限于这些具体实施例。实际上，本发明包括作为已经在这里描述和示出的具体实施例和特 征的功能、电或机械等价形式的所有实施例。
权利要求
一种被动冷却式模块化电子系统，包括开放框架式机架，所述开放框架式机架具有允许周围空气通过那里流动的底部开口和顶部开口；模块，所述模块封装电部件且具有热沉区域，所述电部件与所述模块的所述热沉区域热接触；电连接件，所述电连接件处于所述开放框架式机架上，用于以可移除方式将所述模块电连接到所述开放框架式机架；支撑件，所述支撑件用于在插入位置处保持所述模块，在所述插入位置处，所述模块与所述电连接件电接触，并且在所述插入位置处，所述热沉区域与所述底部开口和所述顶部开口相对准，以允许周围空气从所述底部开口跨过所述热沉区域并离开所述顶部开口流动，从而被动地冷却所述模块中的所述电部件。
2.根据权利要求1所述的被动冷却式模块化电子系统，其中所述热沉区域包括热沉散 热片区域，所述热沉散热片区域具有沿着贯穿所述底部开口和所述顶部开口的竖直轴线延 伸的多个散热片。
3.根据权利要求2所述的被动冷却式模块化电子系统，其中所述散热片以6mm到14mm 之间的距离分离。
4.根据权利要求2所述的被动冷却式模块化电子系统，其中所述散热片以9mm到12mm 之间的距离分离并且具有14mm到20mm的高度。
5.根据权利要求1所述的被动冷却式模块化电子系统，还包括多个模块，每一个模块封装电部件且具有热沉区域，每一个所述模块中的所述电部件 与所述模块的所述热沉区域热接触；多个机架电连接件，所述多个机架电连接件位于所述开放框架式机架上，用于将所述 多个模块以可移除方式电连接到所述开放框架式机架；支撑件，所述支撑件用于在插入位置处保持每一个模块，在所述插入位置处，每一个模 块与所述多个电连接件中的一个电连接件电接触，并且在所述插入位置处，每一个模块的 所述热沉区域与所述底部开口和所述顶部开口相对准；并且其中允许周围空气从所述底部开口跨过所述模块中每一个模块的所述热沉区域并离 开所述顶部开口流动，以被动地冷却所述模块的每一个模块中的所述电部件。
6.根据权利要求5所述的被动冷却式模块化电子系统，其中所述多个模块选自两种或 者更多种类型的模块，每一种类型的模块具有封装在其内的不同的电部件以及不同的模块 电连接件，所述不同的模块电连接件用于将该种类型的模块连接到相应类型的机架电连接 件；其中所述开放框架式机架包括与每一种类型的机架电连接件相关联的键销，所述键销 在所述开放框架式机架上对于每一种类型的机架电连接件而言具有唯一的定向，所述键销 与对应于机架电连接件类型的模块类型中的相应的键孔配对。
7.根据权利要求6所述的被动冷却式模块化电子系统，其中所述键销在所述模块电连 接件接触所述机架电连接件之前接触所述模块，以防止一种类型的模块电连接件与不同类 型的机架电连接件接触。
8.根据权利要求5所述的被动冷却式模块化电子系统，其中每一个模块包括两个或者更多个模块引导定位销，所述模块引导定位销接合所述开放框架式机架上的定位孔，以将 所述模块紧固到所述开放框架式机架。
9.根据权利要求7所述的被动冷却式模块化电子系统，其中每一个模块包括两个或者 更多个模块引导定位销，所述模块引导定位销接合所述开放框架式机架上的导销孔，以将 所述模块紧固到所述开放框架式机架；其中所述引导定位销位于所述模块的每一个模块上并且贯穿背面上的引导孔；并且 其中所述键销位于所述背面上并且贯穿所述模块上的键孔；并且 其中与所述导销从所述模块延伸的距离相比，所述键销从所述背面延伸更大的距离。
10.根据权利要求7所述的被动冷却式模块化电子系统，其中所述模块的类型选自控 制模块CM、电力供应模块PM、开关模块SM和通信线路模块LM。
11.根据权利要求5所述的被动冷却式模块化电子系统，其中用于保持每一个模块的 所述支撑件包括至少一个通道，所述至少一个通道跨过所述底部开口在插入方向上延伸； 至少一个横杆，所述至少一个横杆与每一个模块相关联，用于接合所述至少一个通道；并且其中在插入期间，所述至少一个横杆接合所述至少一个通道并且沿插入方向插入到插 入位置，在所述插入位置处，所述热沉区域与所述底部开口和所述顶部开口相对准，以允许 周围空气从所述底部开口跨过所述热沉区域并离开所述顶部开口流动，从而被动地冷却所 述模块中的所述电部件。
12.根据权利要求7所述的被动冷却式模块化电子系统，其中每一种类型的模块具有 基本相同的壳体。
13.根据权利要求5所述的被动冷却式模块化电子系统，其中所述开放框架式机架的 背面终止于所述开放框架式机架的第一端部和第二端部处，所述开放框架式机架在所述第 一端部处具有第一开口且在所述第二端部处具有第二开口；其中所述多个模块包括电力模块(PM)，并且每一个电力模块PM具有基本相同的壳体； 其中第一电力模块能够置于所述开放框架式机架的所述第一端部处，以使所述第一电 力模块的所述热沉区域至少部分地通过所述开放框架式机架的所述第一端部处的所述第 一开口暴露；并且其中第二电力模块能够置于所述开放框架式机架的所述第二端部处，使得所述第二电 力模块的所述热沉区域至少部分地通过所述开放框架式机架的所述第二端部的所述第二开口暴露。
14.根据权利要求1所述的被动冷却式模块化电子系统，其中所述模块还包括内部传热器，所述内部传热器封装在所述模块内，并且与所述电部件和所述热沉区域 热接触，以将从所述电部件产生的热量转移到所述模块内部的所述热沉区域。
15.根据权利要求1所述的被动冷却式模块化电子系统，其中封装所述电部件的所述 模块包括主外围电路板(PCB)，所述主外围电路板(PCB)包含所述电部件；和 PCB夹杆，所述PCB夹杆与所述PCB和所述热沉区域热接触，以将从所述电部件产生的 热量转移到所述热沉区域。
16.根据权利要求14所述的被动冷却式模块化电子系统，包括热传导紧固器，所述热 传导紧固器用于将所述内部传热器紧固到所述热沉区域，并且有助于热量从所述内部传热 器转移到所述热沉区域；并且其中所述模块包括热传导壳体，所述热传导壳体用于将从所述电部件产生的热量转移 到所述热沉区域并且将热量被动地散逸到周围空气。
17.—种用在被动冷却式模块化电子系统中的模块，所述被动冷却式模块化电子系统 具有带顶部开口和底部开口的开放框架式机架，所述模块包括壳体，所述壳体用于在其内封装电子部件；电连接器，所述电连接器用于将所述模块连接到所述开放框架式机架；热沉区域，所述热沉区域与所述电部件热接触；其中封装所述电部件的所述壳体插入到所述开放框架式机架内的插入位置中，使得所 述电连接器与所述开放框架式机架电接触，并且，所述热沉区域在所述开放框架式机架的 所述顶部开口与所述底部开口之间对准，以允许周围空气从所述底部开口跨过所述热沉区 域并离开所述开放框架式机架的所述顶部开口流动，从而被动地冷却所述模块中的所述电 部件。
18.根据权利要求17所述的模块，还包括至少一个横杆，所述至少一个横杆在所述壳体上远离所述热沉区域定位，并且在插入 方向上沿着所述壳体延伸；并且其中，在沿着所述插入方向将所述模块插入到所述开放框架式机架中期间，所述至少 一个横杆接合所述开放框架式机架中的至少一个相应的通道，以在所述插入位置处支撑所 述模块。
19.根据权利要求17所述的模块，还包括内部传热器，所述内部传热器封装在所述模块内，并且与所述电部件热接触，以将由所 述电部件产生的热量转移到所述模块内部的所述热沉区域。
20.根据权利要求17所述的模块，其中所述热沉区域包括热沉散热片区域，所述热沉散热片区域具有沿着贯穿所述开放框架式机架的所述顶部 开口和所述底部开口的竖直轴线延伸的多个散热片，所述散热片以6mm到14mm的距离分离 并且具有14mm到20mm的高度。
全文摘要
一种用于封装模块的开放框架式电子机架，该开放框架式机架具有允许周围空气通过那里流动的顶部开口和底部开口。多个模块中的每一个模块封装与它们相应模块的热沉区域热接触的电部件，并且每一个模块能够插入到开放框架式机架中的插入位置。当模块插入到开放框架式机架中时，周围空气可以从机架的底部开口跨过每一个模块的热沉区域流动到顶部开口，从而被动地冷却模块和封装在模块内的电部件。热沉区域具有散热片，所述散热片以9mm到12mm的距离分离且具有10mm到20mm的高度。键销与机架的电连接器相关联，以将模块引导到位，并且防止不正确地插入并不对应于那个插槽的机架电连接件的、不同类型的电模块。导销存在于模块的角部上，以与机架中的引导孔配对，从而将模块紧固到开放框架式机架并减小振动。机架的两侧均具有侧面开口，通过所述侧面开口可以暴露插入到机架的端部插槽中的模块的散热片。电力模块被插入端部插槽中。机架在一个端部插槽处具有相逆的连接件，以在两个端部插槽处容纳相同的电力模块，使得热沉区域总是面对开放框架式机架中的侧面开口。
文档编号H05K7/18GK101888766SQ20101017984
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月17日 优先权日2009年5月15日
发明者尤里·卢斯金德, 曾光, 罗杰·摩尔, 菲利普·莱维 申请人:罗杰康公司