专利名称：控制空气流的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及电路板组合件和相关联的诸电子元件的强制对流冷却。更特别是，本发明涉及控制和分配在电路板阵列(array)里的空气流的方法和装置，这种控制和分配将导致改善被包含在电子组件包壳里的诸电路板组合件的冷却。
背景技术：
电子元件和集成电路块常安装在印刷电路板上，以形成结合于一平面的诸不规则形状的块的一电子组合件。可将多个电路板组合件放置到在一包壳里的一阵列(被看作一插件框架)中，从而使包装容积效率最大。对于将诸电路板组合件连接到一插件框架里，已可获得具有支撑多块电路板的能力的几种类型和结构的包壳。对于这些电路板包壳，已形成标准的总线结构(busarchitecture)。例如，VME总线标准(ANSI/IEEE标准1014-1987)用于电路板包壳的背面电路总线接口。其他其总线标准包括VME64标准和VXI(测量仪表的VME延伸)总线，前者将VME总线标准修改到一64比特结构中，后者被设计成使低值信号与高速信号和RF或微波信号共存于一背面上。
随着电路板以每块板具有较大的电子元件密度而发展，以及诸电子元件在高频率和加大功率的情况下继续运作，在这些电子组件包壳里的诸电路板组合件的冷却对于这些电子元件的正确运作变得更关键。在上面介绍的热制约的情况下工作的诸电子元件不可能可靠地工作，使电路板由于热应力造成过早地失效。与诸电子元件的过热有关的问题在那些要求电路板组合件在苛刻环境下，如重工业或军事应用的场合下加重了。
习惯上，电子组件包壳里的诸电子表组合件的冷却是通过将风扇或风机放置在一电子组件包壳的进口或出口处，并强制空气通过一插件框架里的诸电路板组合件。这种方法提供的冷却量直接以流过诸电子元件的空气的速度、温度和大气压力为基础。所以，电子组件包壳设计师的责任是满足电子元件和电路板制造商规定的冷却要求。
但是，总的说来，电子元件和电路板制造商规定的冷却要求是不完全或不能被正确地应用，这将在下面进行讨论。此外，没有由诸制造商使用的一致的方法以形成冷却要求。两个总的途径是规定(1)最高元件温度或(2)最大工作环境条件。但是，第一途径没有认识到所有元件具有内部和表面温度梯度现象。所以，当规定了最高元件温度后，必须提出能测到该温度的具体位置。这一详细的信息通常设备制造商是不提供的，并难以从技术代表获得此信息。类似地，当规定了一电路板或元件能在其内工作的最大的工作环境条件，制造商就应当识别出几个参数。这些参数包括空气温度、空气速度分布和大气压力条件。制造商们将大致限定空气温度和质量流速要求。但是，未曾对空气流分布考虑过，或假设它是均匀的，实际上很少是这样的。许多次是将最高元件温度不正确地假设为与最高空气温度相等。
由于由电子元件和电路板制造商规定的冷却要求常是不完全的，测量诸元件和诸电路板是确定实际的冷却要求的最简单的方法。这些测量要求这些技术能测得装置表面温度而不会中断空气流速分布。此外，这些技术必须包括能测量空气流速分布并将此数据与测得的装置表面温度相关联的措施。最后，这些技术必须能将装置表面温度和空气流速分布与入口空气温度和大气情况相关联。
除了由元件和电路板制造商限定的技术指标外，电子组件包壳制造商根据在一插件框架里对一单个狭槽的一平均空气容积流量规定了一电子组件包壳的冷却性能。为了满足有电子元件制造商规定的冷却要求，电子组件包壳设计师习惯上选择一风扇或一风机，该风扇或风机的一总容积流速被一插件框架里的狭槽的数目相除，满足为每个电路板组合件规定的平均流速。这一平均流速被假设是均匀分布地流过该插件框架里的每个狭槽，并均匀分布地流过每个电路板组合件上的各种电子元件中的每一个。例如，当在一标准的VME插件框架包壳里设计一个具有6个电路板组合件的电子组件包壳系统，该被选用的风扇必须提供一等于6倍于在电路板组合件的所需的容积空气流量的平均容积空气流量。该容积空气流量要求是从电子元件制造商在装置的空气流速要求获得的。如诸电子元件要求在该装置表面的空气流速为每分钟300英尺直线距离，流过该电路板组合件的一总容积流速能根据估计的、在该阵列里在每个电路板组合件之间的横截面积求得。在标准的6U-VME电路板组合件之间的估计的横截面积为2.5英寸2(0.4英寸×6.0英寸)；所以，流过每个电路板组合件所需的平均容积流速是每分钟5英尺3。传统的电子组件包壳制造商将选择一风扇或风机，它能提供对于单个电路板组合件的平均容积流速的6倍量，或为该包壳提供每分钟30英尺3的总流量。
但是，这样的设计方法没有认识到风扇和风机不能对所有电路板组合件提供均匀的流速，尽管该气流对于该插件框架里的每个电路板组合件上的诸电子元件是均匀的。另外，这个方法没有认识到对于每个电路板组合件或在一个电路板组合件上的每个电子元件的容积流速的一单个值，不足以描述对于在一电子组件包壳里的整个阵列的电路板或甚至在该插件框架里的一单个电路板组合件的实际的冷却要求。此外，这个方法没有认识到还存在这与该电子组件包壳系统里的空气流限制相关的压力降。板和包壳设计减少了由诸风扇送来的空气流。所以，任何提供一较均匀的空气流的企图必须不明显增大该包壳里的气流阻力。附加的压力降能很快减小收到的空气量，尽管该空气会是均匀的，但其速度之低，对于冷却没有任何改善。
人们已认识到轴流风扇、离心风机和其他空气流源不会提供对于所有的狭槽或在一插件框架里的诸电路板上的诸元件的均匀的空气流率。当在一给定的电路板组合件上的不同的元件或在该插件框架里的不同的位置具有不同的冷却要求时，这一问题就复杂了。如果其中一些狭槽不包含诸电路板组合件，该问题将变得更为复杂。
已设计出了一些插件框架以企图在这些情况下改善冷却。例如，有些VXI插件框架提供一机械挡板以关闭对不使用的板狭槽的入口。其他一些VME插件框架使用了狭槽“挡板”以减少通过在该插件框架里的不使用的狭槽的空气流。尽管这些设计改善了与满足冷却要求有关的问题，这些设计并不企图给在一插件框架里的所有元件和诸电路板组合件提供均匀的空气流。它们也不企图为了提供在一插件框架里的一电路板组合件的诸指定位置的冷却，控制直接来自一空气流源的空气流。
所以，一个持续存在的需求是控制一插件框架里的空气流，使能在该插件框架里的诸指定的位置提供空气流，以确保每个装置收到充足的空气流。尤其需要的是一较均匀的空气流分布，其中，在一插件框架里空气或其他气体按照一分布图流动，以使一电路板的装置温度与该插件框架里的诸板的位置无关。对于诸板的适当而足够的冷却，均匀的空气流是基本的。而适当和足够的冷却对于诸板的可靠而有效地工作又是基本的。
发明概要本发明提供一种改进的方法和装置，该方法和装置用于控制在一电子组件包壳里和特别是流过诸电路板组合件的空气流的方向和大小。按照广义来说，本发明包括一系统，该系统通过控制在一插件框架阵列里的空气流来控制在该插件框架或其他包壳里的诸电路板的温度。最终的冷却改善和实施例的数目被称为先进的矢量控制的空气流系统或AVCAF系统。本发明的一部分是得自对通过一插件框架的空气流的认识和分析。如此，确定了在诸插件框架里的诸空气流分布图是非常不规则和不可预料的。还确定了过去用于选择一空气源以提供冷却用的空气流的实践提供的设计是效率低的或不适当的。这些失误至少部分是由于在认识诸问题的基本起因和如何分析和解决这些问题方面的失误造成的。
在有些情况下确定了空气流速可从一个电路板狭槽变化到下一个，并从在一插件框架里的一板的前导边变化到尾随边。还发现流过一电路板阵列的中心或核心部分，并沿着该阵列的极端境界的流速，会低于流过中间部分的流速。在有些情况下，在有些部分里的空气流实际上会沿逆向流动。
本发明广义地包括一系统，在流自一空气流源的空气进入一插件框架之前改变该空气流的分布图，以形成一具有较大空气流均匀性的分布图。更特别地，本发明包括诸机械气流转向器，这些转向器可将空气流转向、偏转、引导或其它重新分布，以达到流过每块电路板的流速大致相同或一致。
本发明在另一广义上包括位于一空气流源与一插件框架或其他包壳之间的一个或多个气流转向器，以改变在这个包壳里的气流分布图，以帮助达到一所需的热气流分布图(thermal flow pattern)。已认识到本发明的这一方面可以要求一途径，该途径可部分是试验的方法。因此，利用最终的气流转向器的修改可以取得两个以上的温度和流速测量，以达到一所需的气流分布图。
附图简要说明为了较完全地理解本发明及其优点，现在结合诸附图作以下描述，在这些附图里相同的标号指示相同的特征。其中
图1图示了在一矩形管道里的沿横截面的空气流分布，该管道在其位于一轴流风扇的下游1英寸处的一位置没有电路板组合件或其他障碍物；图2图示了在一矩形管道里的沿横截面的空气流分布，该管道在其位于一轴流风扇的下游9.5英寸处的一位置没有电路板组合件或其他障碍物；图3图示了在由6根平行的矩形管道组成的一阵列内横截面的空气流分布，该管道的净横截面积与图1中的相同；图4示意图示了诸名称和相对于风扇、插件框架和电路板的轴线定向；图5图示了相对于插件框架入口的风扇送风区；图6图示了进入并流过位于一风扇的左侧的狭槽1的许多空气流速向量；图7图示了进入并流过位于一风扇的中心的狭槽3或狭槽4的许多空气流速向量；图8图示了进入并流过位于一风扇的右侧的狭槽6的许多空气流速向量；图9表示了红外测量数据，这些数据是相对于该风扇的板位置的函数；图10A图示了从位于一典型的插件框架的入口的一轴流风扇产生的空气流流速的测量数据；图10B图示了从用于图10A里的该轴流风扇，并增加了一空气流转向器后所产生的空气流流速的测量数据；图11A和11B图示了由位于插件框架入口的一轴流风扇在一典型的插件框架的入口和出口产生的空气流流速的测量数据；图11C和11D图示了由在图11A和图11B里使用的该轴流风扇，再增加了一空气流转向器后，在一典型的插件框架的入口和出口所产生的空气流流速的测量数据；图12A图示了由位于该插件框架入口的一双联风机(duplex blower)产生的、在一典型的插件框架里的空气流流速的测量数据；图12B图示了由在图12A里使用的一双联风机并增加了一空气流转向器后所产生的在一典型的插件框架里的空气流流速的测量数据；图13图示了一风扇的性能曲线、插件框架阻力曲线和最终的工作曲线；图14A和14B图示了本发明的不同的实施例，这些实施例使用了诸穿孔板，以将来自一空气流源的空气流转向；图15A和15B图示了本发明的不同的实施例，这些实施例使用了诸锥形管道，以将来自一空气流源的空气流转向；
图16A和16B图示了本发明的不同的实施例，这些实施例使用了一穿孔板和一锥形管道相结合，以将来自一空气流源的空气流转向；图17图示了本发明的另一实施例，该实施例使用了一穿孔板和一锥形管道相结合，以将来自一空气流源的空气流转向；图18图示了本发明的一实施例，用于将来自一空气流源的空气流转向；图19A-19G图示了能被用作本发明的不同实施例的几个穿孔的图形；图20图示了本发明的一实施例，该实施例使用了与该插件框架成整体的诸穿孔板；图21图示了本发明的一转向器的一实施例；以及图22图示了本发明的一转向器的一实施例。
图示实施例的描述本发明改善了强制空气对流冷却的电子电路板组合件的冷却性能。该改进的冷却来自于控制和改善通过插件框架的冷却介质的分布的技术。这样的技术的应用要求彻底理解使用专门的冷却要求、典型的风扇空气流分布、插件框架设计和电子组件包壳系统的空气流限制。
有多种技术可用来确定来自一轴流风扇、离心风机或其他空气流源的空气通过一插件框架后的独特不规则的气流分布图。一手持式测量探头可被构造成用来测量在一插件框架里在许多点上的空气流速和温度。在其他情况下，可使用一专门设计的测量探头板组合件并结合一数据监测系统，以测量在一插件框架里在许多点上的空气流速。还可使用一热成像系统，如由AGEMA红外系统生产的一种Thermovision 900照相机，以测量在一插件框架里的温度变化。根据经验法则并假设一均匀的板热流，该插件框架里的较热的区域将表明在一特定区域里的一减小的空气流速，而在该插件框架里的较冷的区域则表明在一区域里的较高的空气流速。
在有人能理解空气是如何流过带有诸电路板的复杂的插件框架之前，必须建立一简单的管道空气流的基线。首先，考虑一轴流风扇是如何使空气流过不带有转向器的、其横截面积与该风扇的大致相等的一单根管道的。该不带转向器的单根管道精确代表了一不带有安装的电路板的简单的插件框架。图1是在该风扇下游1英寸处的一矩形管内的一沿其横截面的流速分布图。Z轴线2代表被测得的空气流速，英尺/分钟。这一测量数据可通过使用前面描述过的技术测量空气流速而获得。从图1可看出，该风扇的吹风区导致一高流速的环形区10。这一环形区10与该风扇的叶片区一致。在这区域里的速度矢量并不平行于管道壁，而形成一锥形涡流空气以一螺旋状方式流过管道。如图1所示，该风扇的毂区建立了一个位于该毂区的下游的很低流速区12。在区域12里的这些低速矢量的方向或朝向或离开风扇，这取决于该风扇几何结构、支撑该风扇的结构和下游压力场。类似地，该管道的诸角部区14也有很低的速度，可有任一方向的空气流。
图2图示了离开该风扇9.5英寸处在图1里讨论过的该矩形管道里的空气流的分布。如图2所示，即使在离开风扇9.5英寸处，在矩形管道里的空气流分布也没有达到一均匀的量。在风扇毂的下游还能清楚地看见一低速区20。许多商业电子组件包壳制造商传统地认为有轴流风扇产生的不均匀空气流将随着下游空气流分布的发展而较均匀地分布。但是，如这一图所示，那些建立环形环效应的“扭转”转动矢量会在离开风扇9.5英寸处开始扩散，但空气流还是十分不均匀。
尽管包壳制造商相信将诸电路板装入该插件框架改善了空气流分布，空气流不均匀性实际上是复杂的。图3是一空气流分布图，该图表示了当该单根矩形管道被修改并被分割为六段较小的矩形管段的一阵列时产生在沿横截面的流速分布的惊人的变化。该空气流分布图是根据与图4相同的名称和座标系绘出的。
诸较小的矩形管段的壁厚大约0.80英寸。这种情况类似于将六块无元件的电路板放入该插件框架里。该六根管段合成的横截面积大致与原始的单根管道的相等。单根管道和六根平行管道的静压力接近相等。其结果，流过平行的诸管段的空气量与在单根管道里的相等。但是，空气的分布十分不同。如能从图3看到的，毂区35和插件框架的两相对的角部36和38保持为一低流速区，而其他两个角部40和42具有很高的流速分布。这些分布图是从轴流风扇产生的螺旋涡流获得的。该最终的不均匀空气流分布是多数商业上可购得的包壳产品的典型分布。
图4帮助标记该座标系和名称，这些名称被用来绘制来自位于一插件框架46之下的一风扇44的空气流和进入该插件框架46的空气流。X轴线30对准于一电路板插入该插件框架的方向。原点位于插件框架的背面，并随着朝电路板面板移动则为正值。在插件框架背面与电路板面板之间的相对距离是由一字首D，例如D1、D2、D3等标记。Y轴线32对准于插件框架背面。原点位于该背面上的狭槽1，并随着从左向右移动是正值。这对应于狭槽S1、S2、S3等。Z轴线34是沿着空气流从风扇进入该插件框架的方向，并表示在相应的狭槽和插件框架里的深度处所测得的空气流，英尺/分钟。
图5图示了从一轴流风扇吹出的空气，即空气流是如何分布流过图4所示的插件框架狭槽。吹风区50是与风扇的叶片区一致区。来自一轴流风扇的主气流流向该吹风区50。毂区52是与一风扇毂一致的区域。这一区域通常不接收来自一轴流风扇的较多量的吹出空气。下面的表格列出了对于一给定的风扇的每个狭槽与吹风面积，该风扇的吹风面积具有一2.2英寸内径和一4.5英寸外径。狭槽2、5具有较多的吹风面积，所以接收了较多的空气流。狭槽1、6不仅具有最歪斜的空气，也具有最小的吹风面积。
狭槽 吹风面积 占总吹风面积的％狭槽1 1.42英寸211.7％狭槽2 2.70英寸222.3％狭槽3 1.93英寸216.0％狭槽4 1.93英寸216.0％狭槽5 2.70英寸222.3％狭槽6 1.42英寸211.7％图6-8图示了进入和流过在图3里讨论过的6根平行的矩形管段的空气流速矢量。提供的一风扇逆时针转动(如图4所示)。
图6图示了流过插入狭槽1的一电路板61的诸入口流速矢量，该狭槽位于风扇的左侧。最大流速发生在狭槽1的入口中心区60的附近。诸矢量向左歪斜并斜向纸面。这一空气流撞击电路板61的诸元件。空气的大部分向上流向管段的左侧区62，在右侧则形成一低速再循环区64。在该管道的顶部和底部角落可形成诸附加的再循环区，这取决于该插件框架的几何结构。
图7图示了流过插入狭槽3和4的一电路板71的诸入口流速矢量，这两狭槽位于风扇中心的附近。将形成两个最大流速区70和72。这两个区与风扇诸叶片形成的吹风区一致。在前面板区70附近的诸高速入口矢量向左歪斜并由纸面向外流出。这空气将撞击在一插件框架里的下一个邻近的板的插头侧。来自这个区域70的空气将向上流向该管道的左侧区74。在背面接头区72附近的诸高速入口矢量向右歪斜并朝向纸面。这个空气将撞击这个狭槽里的该板上的诸元件。来自区域72的空气将向上流向管道的右侧区76。两个低速再循环区78和79将直接形成在毂区的上方。这些旋涡延伸在风扇之上的距离取决于几何结构和风扇速度。在管道的顶部和底部角落可形成之附加再循环区，这取决于该插件框架的几何结构。
图8图示了流过插入狭槽6的一电路板81的诸入口流速矢量，该狭槽位于风扇的右侧。图8图示的空气流是图6的镜像。最大的流速发生在入口的中心区80的附近。诸矢量向右歪斜并从纸面向外。该空气将撞击该插件框架侧壁。该空气的大部分将向上流到管道的右侧区82，一再循环区84将形成在左侧。诸附加低流速再循环区可形成在该管道的底部和底部角落，这取决于该插件框架的几何结构。
在其他可取的系统里，可改变风扇转动方向。在这些其他可取的系统里，图8将代表狭槽1速度，图6将代表狭槽6。对狭槽1的诸入口矢量进入纸面，对于狭槽6则从纸面向外。对于图7所示的狭槽3和4，前面板附近的诸入口矢量将进入纸面，而背面接头P2附近的诸入口矢量将从纸面向外。
图9图示了安装在一插件框架的狭槽1、3和6的相同的电路板与图3里讨论过的一轴流风扇的三个红外成像。提供的一温度表90显示出20℃到60℃的变化。较轻的阴影部分代表较热的工作区，较黑的阴影部分则代表较冷的工作区。在每个红外成像里，电路板允许工作直至达到稳定态工作温度。对于所有三个成像，入口空气温度是相同的。这些结果清楚地表明图6、7和8图示的许多流速分布的明显影响。当电路板从一个狭槽移到又一狭槽时，最大的装置温度变化了20℃。当使用Arrhenius函数作估算，如在再冷下10℃的情况下操作，电子元件的寿命将增长一倍，或者，在再升温10℃的情况下操作，电子元件的寿命将是原来的一半。所以，简单地根据它被放置的一插件框架上的该狭槽和最终的空气流速分布，就可使一电路板的寿命增长一倍。
为了解决与在电路板包壳里的较差的空气流有关的问题，本发明提供了多种设计方法和装置，以将来自一空气流源的空气流改变方向、转向、引导、偏转，或其它重新分布，以在一插件框架的诸狭槽里建立一较平衡的空气流。尤其是，提供多种空气流转向器以改变空气流。
图10、11和12图示了一些空气流分布的改善，这些改善是通过理解原始的诸流速矢量，然后使用本发明的空气流转向器改变这些矢量的方向而达到的。图10和11图示了对轴流风扇的改善，而图12图示了对双联风机的改善。
图10A描绘了从如图3所示的一轴流风扇产生的诸空气流矢量的测量数据。空气流路径是笔直走入一风扇并直接进入插件框架后又笔直离开该插件框架。由于在入口或出口处包壳的几何结构情况，所以没有另外的限制。图10B描绘出的改善是通过选用一合适的转向器以提供均匀的空气流而达到的。如使用图14A所示的转向器也能收到图示的这些结果。从图20和22所示的转向器将能获得类似的结果。
类似地，图11A、11B、11C和11D图示了使用了本发明转向器的、安装在一3/4ATR底架上的一9狭槽VME插件框架上的一实施例获得的改善。由于包壳结构设计较差，最初的空气流路径在该包壳入口管道处被限制。空气流路径是笔直进入一风扇并直接进入插件框架后又笔直离开该插件框架。由于在出口处的包壳的几何结构，也没有明显的限制。图11A图示了使用一轴流风扇的一插件框架的入口空气流分布。图11B图示了一轴流风扇的出口空气流分布。图11C和11D图示了在插件框架的入口和出口的被改善了的均匀的空气流，这是通过选用一合适的转向器和略微增长入口管道而提供的。在数据收集期间安装了图20所示的该转向器。
图12A和12B图示了使用一双离心风机和一U形空气流路径，对于一安装在一19英寸导轨安装底架(rack mount chassis)上的插件框架获得的改善。该U形空气流路径是通过使空气流出该风机，然后转向90°后进入插件框架而建立的。该空气流然后在流出插件框架的顶部之后转向90°。将该插件框架配装在该包壳里，使该插件框架之上和之下有1.5英寸。对于空气如何流入和流出该插件框架，该距离具有明显的影响。图12A图示了在插件框架里的一不均匀空气流分布。通过采用本发明的空气流转向器的一实施例，可获得如图12B所示的改善的空气流。图18所示的转向器被用来收集图12B里的数据。
应当理解的是图10、11和12所示的实施例只是用于图示的目的。本发明还可用来改变在任何尺寸和形状的插件框架里的空气流分布图。例如，本发明可与和本申请同一天提交的名称为“用于电路板的一改进的插件框架”的共同待批美国专利申请里描述的插件框架结合使用，该专利申请已被引用在本文以作参考。另外，很容易理解的是一个合适的转向器的选用可要求一试验途径，在该途径里可以需要两个以上的温度和流速测量，并作出最终的空气流转向器修改，以获得一所希望的空气流分布图。
本发明的一个重要方面是进行对空气流的这样的修改和改进，但并不明显增加该插件框架的气流阻力。该插件框架的气流阻力的增长取决于被选用的风扇的性能。每一种风扇具有与图13所示的曲线类似的一条性能曲线130。被悬挂在自由空间里的一风扇没有气流限制并将提供其最大的气流，常称此为自由送气(free delivery)，如在点131所示。当在风扇的四周增加了几何结构时，空气流限制就增大了。对于任何给定的管道结构和相关的几何结构，能产生一气流阻力曲线，这通常被看作为一系统阻力曲线132或143。风扇曲线130与系统曲线132的交点限定了那给定的结构的工作点。当该系统被修改和该系统阻力增大时，由该风扇提供的空气量就减少了。例如，当加入了本发明的一转向器的实施例后，就形成了一修改的阻力曲线134。通过增加一转向器，静压力增大而容积空气流减少了。如果使用一强力途径获得均匀的空气流，将会明显减少容积空气流。这样，又减小了流过诸装置的空气的流速。真正的结果是使空气得以均匀，而同时使空气被减少到在未做什么时使该系统变得更好的程度。所以，本发明的一个重要方面是诸转向器没有明显地增大气流阻力。通过明显改变下游压力场来修改气流限制的技术的实例包括使用连续的穿孔板或敞开小气室的泡沫塑料(open cell foam)。对于熟悉该技术领域的普通技术人员，容易理解的是也可使用其他不会明显增大气流阻力的材料用于转向器，而不离开本发明的范围。
图14A和14B图示了连续的诸穿孔板是如何经修改后能减小气流阻力并改善了气流的分布。在图14A所示的一个实施例里，在风扇与插件框架之间可以放置了一块其大小大致与用于插件框架的风扇的大小相等的穿孔板。该板140可通过耳块141和143直接连接于插件框架或风扇。该穿孔板的中心部分142和两个相对的角部144和146被除去了，以使流过这些区域的空气更多些。
在图14B所示的另一可取的实施例里，该穿孔板被设计成只保留一个相当于风扇吹风区的环形区149。在该风扇吹风区提供的这个附加的阻力使空气能更均匀地分布在毂区和角部区。此外，板148可通过耳块145和147直接连接于插件框架或风扇。
还有，容易理解的是还可构作其他结构的穿孔板或敞开小气室的泡沫塑料，以提供均匀的空气流。此外，如需要的话，也可使用其他的结构以提供不均匀的气流。
又在另一实施例里，可使用诸转向器，以与改变几何结构压力限制方法相反，通过改变空气流速矢量的方向控制空气流的分布。在有些情况下，气流限制与导向叶片的结合将使气流得以明显地改善。导向叶片可是一简单的法兰或一锥形管道(如图15A和15B所示)。图15A是一锥形转向器150。空气由朝向一轴流风扇的毂的环形环152转向。多个孔154使一些空气流过该环形环。图15B也是一个锥形转向器。在这一实施例里，一环形环158将空气转向到一轴流风扇的毂区而无任何附加开孔。
也可使用其他结构，使能明显改变流速分布而不会明显增大系统气流阻力。应当理解的是选用本发明转向器的一适当的实施例可以需要一种部分根据试验得出的途径。如此，对于最终的气流转向器的修改可以需要进行两个以上的温度和流速测量，以达到一所希望的流速分布图。
通过结合图14A和15A作详细描述的诸实施例的结合，可获得如图16A所示的转向器的一个另外可供选择的实施例。结合一锥形转向器的穿孔板有助于提供均匀的空气流和控制一插件框架里的空气流。该图所示的诸锥形管道可为实心的或穿孔的。图16B图示了图16A所示的该转向器的一另外可供选择的实施例。该另外可供选择的实施例包括用于引导气流的两导向叶片(160和162)。
通过图14B和15A作详细描述的诸实施例的结合，可获得如图17所示的转向器的一个另外可供选择的实施例。还有，该图所示的诸锥形管道可是实心的或穿孔的。
本发明还可用来改变来自一双联风机的空气流。尽管一风机没有与一轴流风扇有关的相同类型的空气流问题，还是有必要改变空气流。图18图示了与一双联风机结合使用的、带有导向叶片182和184的一穿孔板180。该穿孔板180可为任何适合的图形并可在一插件框架里的各条狭槽之间变化。图19A、19B、19C、19D、19E、19F和19G图示了可用来获得多种空气流分布图的另外可供选择的穿孔。
在所有揭示的实施例中，转向器可装于插件框架入口或放置于该插件框架入口之外，或可与该插件框架做成整体。图20表示了一穿孔板200的一另外可供选择的专门使用的设计结构，其中的该穿孔板200整体地与该插件框架202做成一体了。敞开的中心区204提高了在风扇毂区的下游的气流。敞开的角部区208增大了该插件框架角部区的气流。包括区域201和203的打孔较密的区域和包括区域205和206的打孔较少的区域帮助空气从角部区向低流速区重新分布。在板的顶部减少了限制结构的部位，即区域207，为相应的区域提供了局部气流要求。
根据上述，容易理解的是穿孔板、限制结构和导向叶片的任何结合可被用来改变来自一空气流源的空气流。此外，这些装置可被用来在一插件框架的诸狭槽里建立特定的不平衡的气流，以在一插件框架的入口建立均匀的气流，或或补偿风扇和风机吹风区。这些板、限制结构和导向叶片通常由铝、不锈钢、或模注塑料制成。但是，应当容易理解的是可为转向器选用任何合适的材料。
图21图示了用于补偿在一轴流风扇的中心的低输出用的转向器的另一实施例。该转向器被设计成其大小大致等于一标准轴流风扇的尺寸。该转向器210由一扁平架212、一实心的圆盘214和多个从该实心圆盘214延伸到该扁平架212的叶片216组成。诸叶片的结构设计成能反向转动来自风扇的空气流。该转向器210可由任何使用的材料，包括多种金属和塑料，更特别是铝和热塑性化合物制成。设有几个孔218，以使通过一适用的紧固件将该转向器直接连接于一轴流风扇或管道组合件。
图22表示了一转向器的另外可供选择的结构设计。如图21的转向器，该转向器220包括一扁平架222、一实心的圆盘224和多个从该实心圆盘224延伸到该扁平架222的叶片226。另设有与实心圆盘224同中心的诸附加叶片228。这些附加的同心叶片228将空气引向插件框架的中心，企图补偿风扇中心部位的低气流。这些同心的叶片228应当这样放置，即，使它们能将来自在将不影响分布的区域里的环形环的空气重新引向其他狭槽。还有，设有几个孔230以利用一合适的紧固件将该分流器直接连接于一轴流风扇或管道组合件。
所有在本申请文本里揭示和要求保护的方法和/或装置能根据本发明的揭示用适当的试验进行和实施。尽管本发明的方法和装置已按照特定的几个实施例加以描述，对于熟悉本领域的技术人员很明显的是可对这些方法和/或装置和在此描述的方法的诸步骤或诸步骤的顺序中可作些变化，而不离开本发明的构思、精神和范围。所以，对于熟悉该领域的技术人员很明显的所有这些替代和修改被视为在由所附的诸权利要求限定的本发明的精神、构思和范围内。
例如，揭示的设计技术和装置并不被限于改变插件框架里的空气流。本发明还可被用来利用风扇和离心风机为其他用途建立均匀的空气流。这些其他用途可包括但并不必须被限制于为热交换器提供均匀的空气流。
权利要求
1．一种控制在一插件框架内的空气流的方法，该方法包括提供一插件框架；提供一空气流，该空气流具有一通过该插件框架的空气流分布；选择一空气流控制装置；利用该空气流控制装置改变该空气流分布，以建立一修改过的空气流分布。
2．按照权利要求1的方法，其特征在于，还包括确定在该插件框架里的空气流分布和根据一所需的修改的空气流分布选择空气流控制装置。
3．按照权利要求1的方法，其特征在于，该修改的空气流分布是一均匀的空气流分布。
4．按照权利要求1的方法，其特征在于，该修改的空气流分布是这样的，即，空气流被转向到该插件框架里的诸区域，在这些区域要求比插件框架里的其他区域更多的冷却。
5．一种用于冷却在一插件框架里的诸电路板的系统，该系统包括一空气流源，该空气流源具有一给定的空气流分布；以及至少一空气流转向器，该转向器位于该空气流源与该插件框架之间，用于改变该给定的空气流分布，以形成一所需的空气流分布。
6．按照权利要求5的系统，其特征在于，所述空气流源是一轴流风扇。
7．按照权利要求5的系统，其特征在于，所述空气流源是一离心风机。
8．按照权利要求7的系统，其特征在于，所述离心风机是一简单的离心风机。
9．按照权利要求7的系统，其特征在于，所述离心风机是一双联离心风机。
10．按照权利要求5的系统，其特征在于，所述空气流转向器是一穿孔板。
11．按照权利要求10的系统，其特征在于，形成的所述穿孔板是在需要增大空气流的地方提供减小了的空气流约束，以实现所希望的空气流分布。
12．按照权利要求10的系统，其特征在于，形成的所述穿孔板是在需要减少空气流的地方提供增大了的空气流约束，以实现所希望的空气流分布。
13．按照权利要求10的系统，其特征在于，形成的所述穿孔板是在需要减少空气流的地方提供增大了的空气流约束，并在需要增大空气流的地方提供减小了的空气流约束。
14．按照权利要求5的系统，其特征在于，所述空气流转向器是扩散器泡沫塑料。
15．按照权利要求14的系统，其特征在于，形成的所述扩散器泡沫塑料是在需要增大空气流的地方提供减小了的空气流约束，以实现所需的空气流分布。
16．按照权利要求14的系统，其特征在于，形成的所述扩散器泡沫塑料是在需要减少空气流的地方提供增大了的空气流约束，以实现所需的空气流分布。
17．按照权利要求14的系统，其特征在于，形成的所述扩散器泡沫塑料是在需要减少空气流的地方提供增大了的空气流约束，并在需要增大空气流的地方提供减小了的空气流约束。
18．按照权利要求6的系统，其特征在于，所述空气流转向器的工作能减小所述轴流风扇的效应。
19．按照权利要求18的系统，其特征在于，形成的所述转向器是在需要增大空气流的地方提供减小了的空气流约束，以实现所需的空气流分布。
20．按照权利要求18的系统，其特征在于，形成的所述转向器是在需要减少空气流的地方提供增大了的空气流约束，以实现所需的空气流分布。
21．按照权利要求18的系统，其特征在于，形成的所述转向器是在需要减少空气流的地方提供增大了的空气流约束，并在需要增大空气流的地方提供减小了的空气流约束。
22．一种用于改变来自一具有多个风扇叶片的轴流风扇的空气流的装置，该装置包括多个位于诸风扇叶片的径向的导向叶片，所述多个导向叶片的工作能减小通常由轴流风扇产生的不希望的气流分布。
23．一种用于改变来自具有一风扇毂的一风扇的空气流的装置，该装置包括一扁平板；一圆形板，该板位于该扁平板的中心；以及多个导向叶片，这些叶片从所述扁平板沿径向延伸到所述圆形板，所述多个导向叶片的工作能减小通常由轴流风扇产生的不希望的气流分布图。
24．按照权利要求23的装置，其特征在于，还包括多个同心的导向叶片，这些导向叶片的工作能在需要较少空气流的地方减少空气流，并增大在风扇毂后面的空气流。
25．按照权利要求23的装置，其特征在于，所述装置由金属制成。
26．按照权利要求23的装置，其特征在于，还包括多个与所述圆形板同心的导向叶片。
27．一种控制安排在一插件框架里的诸电路板的温度的方法，该方法包括将一冷却气流吹过该插件框架内的诸电路板之间；确定在大致遍及整个插件框架的诸位置的一个三维矩阵的气体的温度和流速；以及通过修改进入该插件框架里的气流的流动分布图，减少这些温度的变化。
28．一种获得通过一包壳的一气体的热分布图的方法，该包壳容纳了一或多块电路板，该方法包括使一气体流过该包壳，以足够在该包壳里建立一第一气体流分布图；检测在多个位置的气体流的温度，这些位置遍及整个包壳大致间隔地分布；改变在该包壳里的该气体流的分布图，以建立一改变的气体流分布图；以及再次检测在多个位置的气体流的温度，这些位置遍及整个包壳大致间隔地分布。
29．一种用于控制空气流的系统，该系统包括用于提供一空气流的装置，该空气流具有一给定的空气流分布；以及用于改变该给定的空气流分布，以形成一所需的空气流分布的装置。
全文摘要
一种利用控制空气流来控制在诸插件框架或其他诸包壳里的诸电路板的温度用的系统。更特别是,本发明包括诸机械气流转向器,这些转向器可将空气流转向、偏转、引导,或其他重新分布,以达到通过在一插件框架里的每个电路板后的空气流速大致相同或一致。本发明可被组装为一分散的部分并连接于该风扇、插件框架或其他支撑结构,或本发明可是该插件框架的整体的一部分。本发明通过根据实际要求修改冷却空气分布使冷却效率最大,这些要求与局部热通量和/或装置温度限值成正比。
文档编号H05K7/20GK1314074SQ99808952
公开日2001年9月19日 申请日期1999年6月16日 优先权日1998年6月16日
发明者M·B·普日伊拉斯, R·H·米利奇, R·A·布鲁斯 申请人:雷西昂公司