CN110248519A - 设置有自然对流风道散热的核安全级机柜 - Google Patents

Abstract

本发明属于机柜散热结构的技术领域，为了解决强迫对流冷却方式中存在的噪声、需要独立外力驱动和复杂等技术问题，本发明提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜，所述机柜包括：通风入口，设置在机柜前门面，并且靠近机柜底部；通风板，设置成将通风入口内的风引入机柜内的机箱；出风口，设置在机柜上表面；或设置在与通风入口所在前门面相对的机柜后门面、且靠近机柜上表面的位置处；其中，通风入口、通风板以及出风口之间形成能够让空气自然流动的自然对流风道，自然对流风道设置成能够引起流体内部形成烟囱效应。因此，能够通过机柜内部的自然对流风道形成烟囱效应，实现无需风扇即可对机柜内部进行散热处理。

Description

设置有自然对流风道散热的核安全级机柜

技术领域

本发明涉及机柜散热结构的技术领域，尤其涉及核电行业数字化仪控设备系统用机柜的散热结构的技术领域，更具体地，涉及一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜。

背景技术

随着电子科技技术的发展和进步，机柜中能够集成的电子元件和控制电路越来越多，这些电子元件和控制电路产生的热量是一个不容忽视的问题。以核电行业数字化仪控设备系统用机柜为例，现有的控制机柜通常都采用强迫对流冷却方式进行冷却，其中，强迫对流就是指利用外力驱使空气高速对流把热量带走的散热方式。

常见的强迫对流冷却方式有两种：1、吹风式：风道进口一般布置在机柜的前部或者机柜的底部，风道出口在机柜的顶部或者后上部；吹风时出风口直接对准被冷却部分，风量集中，产生的风压大，适用于热量分布不均匀，需要对专门区域进行集中冷却的情况；这种类型的机柜内部为正压，灰尘等杂物不易进入。2、抽风式：与吹风式类似，风道进口一般在系统的前部或者系统的底部，风道出口在系统的顶部或者后上部，风道进口流动方式主要为层流状态；抽风式适用于发热器件分布均匀，风道比较复杂的情况；这种类型的机柜内部压力为负压，在灰尘易进入，并且风扇处于温度高的位置，影响风扇的寿命。

但是发明人在实现本发明的过程中发现，无论在机柜中采用吹风式还是抽风式冷却方式，均存在不足之处：1)、为了降低机柜内部温度，风机转速越高越好，风机转速越高机柜的噪声越大；2)、外力驱动需要其它设备来协同完成；3)、制造过程复杂，前期制造和后期维护成本高。

发明内容

为了解决强迫对流冷却方式中存在的噪声、需要独立外力驱动和复杂等技术问题，本发明提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜，通过机柜内部的自然对流风道形成烟囱效应，实现无需风扇即可对机柜内部进行散热处理。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案包括：

本发明一方面提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜，其特征在于，包括：

通风入口，设置在所述机柜前门面，并且靠近所述机柜底部；

通风板，设置成将所述通风入口内的风引入所述机柜内的机箱；

出风口，设置在所述机柜上表面；或设置在与所述通风入口所在前门面相对的机柜后门面、且靠近所述机柜上表面的位置处；

其中，所述通风入口、所述通风板以及所述出风口之间形成能够让空气自然流动的自然对流风道，所述自然对流风道设置成能够引起流体内部形成烟囱效应，所述烟囱效应使得所述自然对流风道通风入口温度低、密度大的流体自动下降，内部温度高、密度小的流体自动上升，从而形成自然对流。

本发明实施例优选的实施方式中，所述机柜设置有多个机箱，每个机箱分别设置有独立的所述自然对流风道，所述自然对流风道的出风口类型包括竖直风道出风口、机柜后出风口；其中，所述多个机箱中的最顶层机箱对应的所述自然对流风道通过所述机柜内部竖直风道出风口出风，所述多个机箱中的非顶层机箱对应的所述自然对流风道通过引流板引导至所述机柜后出风口出风。

本发明实施例优选的实施方式中，所述机柜包括设置在前门上的前门组件，所述前门组件设置有所述通风入口，所述机柜还设置有位于所述通风板上方的机箱、机柜框架、内部风道隔板以及与带有所述出风口的机柜顶部组件。

本发明实施例进一步优选的实施方式中，所述机箱的出风口尺寸设置成可选择性地配置，并且所述出风口尺寸与所述机箱的发热量以及机箱的高度相关联；其中，所述机柜内对应的电力系统功耗要求不超过300W。

本发明实施例进一步优选的实施方式中，所述通风入口的位置分别正对着所述机箱下方处的所述通风板，并且所述通风入口的面积分别至少大于2倍的对应所述通风板面积。

本发明实施例进一步优选的实施方式中，所述机箱包括外壳、支架、面板、位于所述面板上的开关、指示灯和PCB板，所述外壳用钢板和铝材结合制成；并且所述机箱的上下面板设置成有降温用的通风口。

本发明实施例进一步优选的实施方式中，位于所述机箱下方的所述通风板，设置成通过端部固定连接至所述机柜框架，并且前门与所述机箱抵接；并且所述通风板用于形成所述自然对流风道的一部分。

本发明实施例进一步优选的实施方式中，所述出风口的机柜顶部组件包括与所述机柜框架固定连接的出风口框架，设置在所述出风口框架上的过滤棉以及通风隔板。

本发明实施例优选的实施方式中，所述机柜出风口面积设置成为所述通风板的开孔总面积的2倍，并且所述机箱的出风口面积也为所述机箱的通风入口面积的2倍。

本发明实施例进一步优选的实施方式中，所述机柜通风板开孔总面积大小满足如下要求：

其中，S为机柜通风板开孔总面积大小，单位为cm²；Q为机柜内总的热量，单位为w；H为机柜的高度，单位为cm；Δt为机柜内部空气温度与外部空气温度差，单位为℃；

所述机箱的通风入口的面积大小满足如下要求：

S＝S_s+S_t+S_b；

其中，A为机箱的通风口面积的大小，单位为m²；ū为机箱的通风口出的风速，单位为m/s；W_T为机箱表面的散热量，单位为w；S_S为机箱侧面的面积，单位为m²；S_t为机箱顶面的面积，单位为m²；S_b为机箱底面的面积，单位为m²；Δt为机箱的温升，单位为℃；σ为玻尔兹曼常数，大小为5.67×10^-8；T为机箱的表面温度，单位为℃；T_a为环境温度，单位为℃；ε为发射率。

采用本发明提供的上述实施方式或优选的实施方式，可以分别实现如下有益效果：

1、采用的独立风道自然对流风道设计的机柜内无噪声，而且前期制造和后期维护成本；尤其当机柜内电力系统要求整体功耗提出更高要求时，相对于强迫对流冷却无需借助外力驱动，能够更好地满足工程需求。

2、借助空气动力学原理，通过对通风入口、通风板以及出风口位置的合理布局，形成自然对流风道，借助烟囱效应使得所述烟囱效应使得所述自然对流风道通风入口温度低、密度大的流体自动下降，内部温度高、密度小的流体自动上升，从而形成自然对流；这种没有外部机械力的作用，仅仅靠流体内部温度差，而使流体流动从而产生的传热现象。

3、机柜中各个机箱与入风口、出风口形成独立的自然对流风道，散热互不干扰。

4、系统机柜的风道由两类组成，一类是最顶层机箱通过机箱上方竖直风道出风；另一类是非顶层机箱通过引流板引导最后通过机柜后出风口出风；这样在有限的空间内，让每个出风口都能更好地形成烟囱效应，使得热量可以更好地散去。

发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜的立体结构示意图。

图2为本发明实施例提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜在柜门打开时的结构示意图。

图3为本发明实施例提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜中前门的结构示意图。

图4为本发明实施例提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜中机箱面板的结构示意图。

图5为本发明实施例提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜中通风板的结构示意图。

图6为本发明实施例提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜中出风口组件的分解示意图。

图7为本发明实施例提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜中自然对流风道的结构示意图。

图8为对应于图7简化后自然对流风道的原理图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释；并且只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

下面通过附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述：

实施例

本实施例提供一种对机柜内机箱进行散热自然对流风道，即在现有技术通常使用强迫对流冷却方式中存在的噪声、需要独立外力驱动和复杂等技术问题进行改进，尤其是在机柜中设置有能够实现无风扇安全级机柜散热的自然对流风道。

如图1-图7所示，本实施例提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜，该机柜包括：

通风入口141、142，设置在机柜前门面，并且靠近机柜底部；其中，本实施例中通风入口也可以成为入风口或进风口；

通风板161、162、163，设置成将通风入口141、142内的风引入机柜内的机箱；其中，通风板161、162、163的一种优选结构如图5所示。

出风口115，设置在机柜上表面110；也可以将出风口121设置在与通风入口141、142所在面(前门面)相对的另一面120(后门面)、且靠近机柜上表面110的位置处；本实施例优选的实施方式中，在上表面110和后门面120分别设置有出风口115、出风口121；

其中，通风入口141、142、通风板161、162、163以及出风口之间形成能够让空气自然流动的自然对流风道，自然对流风道设置成能够引起流体内部形成烟囱效应，烟囱效应使得自然对流风道通风入口温度低、密度大的流体自动下降，内部温度高、密度小的流体自动上升，从而形成自然对流。

需要说明的是本实施例中提供的自然对流风道的数量不限于图1中的3个，可以根据实际需求(例如机柜内机箱的个数)排列更多个，而且也不限于图1中按照行来排布，还可以按照列排布多个，相应地，出风口在上表面和后门面的数量也可以根据需求进行设置。

因此，采用本实施例提供的独立风道自然对流风道设计的机柜内无噪声，而且前期制造和后期维护成本；尤其当机柜内电力系统要求整体功耗提出更高要求时，相对于强迫对流冷却无需借助外力驱动，能够更好地满足工程需求。而且借助空气动力学原理，通过对通风入口、通风板以及出风口位置的合理布局，形成自然对流风道，借助烟囱效应(下文还有更详细解释)使得自然对流风道通风入口温度低、密度大的流体自动下降，内部温度高、密度小的流体自动上升，从而形成自然对流；这种没有外部机械力的作用，仅仅靠流体内部温度差，而使流体流动从而产生的传热现象。

本实施例提供的机柜应用于数字化核电站仪控系统中，具有自然对流风道散热功能；整个机柜主要是由带有入风口的前门组件、机箱、机柜框架、内部风道引流板、通风板和带有出风口的机柜顶部组件组成。具体地，如图1-图7所示，本实施例优选的实施方式中，机柜设置有多个机箱151、152、153，每个机箱151、152、153分别设置有独立的自然对流风道L1、L2、L3，自然对流风道的出风口类型包括竖直风道出风口115、机柜后出风口121；其中，多个机箱中的最顶层机箱153对应的自然对流风道L3通过机柜内部竖直风道出风口115出风，并通过引流板(如图7中附图标记183所示)将通风板163吹入的风引入至竖直风道出风口；多个机箱中的非顶层机箱151、152对应的自然对流风道L1、L2通过引流板(如图7中附图标记181、182所示)引导至机柜后出风口出风。这样在有限的空间内，让每个出风口都能更好地形成烟囱效应，使得热量可以更好地散去。

如图1-图7所示，本实施例优选的实施方式中，机柜包括设置在前门140上的前门组件，前门组件设置有通风入口141、142，机柜还设置有位于通风板上方的机箱151、152、153、机柜框架170、内部风道引流板以及与带有出风口的机柜顶部组件。另外，机柜顶部四个角落还分别设置有一个中空吊接部111、112、113、114。

由于自然对流机柜中空气流动不是通过风扇驱动的，而是通过设计好的风道，空气自然流动，因此，设计要点之一是通风入口要尽量布置在机柜底部，出风口要尽量布置在机柜顶部，机柜后面的风道要求有足够的高度。机箱进出风口的大小根据发热量和机箱高度而定。所以如图3所示，前门140上的通风入口141、142都设置在前门把手143的下方。并且本实施例进一步优选的实施方式中，机箱的出风口尺寸设置成可选择性地配置，并且出风口尺寸与机箱的发热量以及机箱的高度相关联；其中，机柜内对应的电力系统功耗要求不超过300W。由于通过自然风来散热，所以可以不增加系统电力的消耗，因此结合实际的工程需求，如果是电力系统功耗要求不超过300W的应用场景，本实施例提供的机柜比现有技术中通过外力驱动风扇散热的更能满足设计需求。

如图2所示，本实施例进一步优选的实施方式中，通风入口141、142的位置分别正对着机箱151、152、153下方处的通风板161、162、163，并且每个机箱对应的通风出口的面积分别至少大于2倍的对应通风板面积。

如图2、图4所示，本实施例进一步优选的实施方式中，机箱包括外壳、支架、面板1501、1502、1503、位于面板上的开关、指示灯和PCB板，外壳用钢板和铝材结合制成；并且机箱的上下面板1501设置成有降温用的通风口。其中，外壳用钢板和铝材结合制成，硬度和刚度较高，主要起保护机箱内部元件的作用；由于机箱内固定的PCB板上有较多的热耗元器件，为了降低机箱内的温升，需要在机箱上下面板冲出通风口，以来降低机箱内的温度。

如图2、图5所示，本实施例进一步优选的实施方式中，位于机箱下方的通风板161、162、163，设置成通过端部固定连接至机柜框架，并且通风板161、162、163用于形成自然对流风道的一部分；即通风板161、162、163不仅对机箱起到固定加强作用，更重要的是把前门通风入口处的空气引入到机箱内，以形成风道。作为更进一步优选的实施方式，引流板181、182、183与底部平面成一定夹角排布(如图7所示)，这样平行方向吹入的风，被进一步引导至垂直方向，这样自然的冷风更容易吹入机箱，将机箱的热量通过顶部出风口带走。

如图2、图6所示，本实施例进一步优选的实施方式中，出风口的机柜顶部组件包括与机柜框架固定连接的出风口框架1151，设置在出风口框架1151上的过滤棉1152以及通风隔板1153。其中，出风口115的位置布置在机柜顶部，高度越高产生的“烟囱效应”越明显，散热效果越好；在出风口115旁边设置有电缆入口116。

图7为本实施例提供一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜中自然对流风道的结构示意图，图8为对应于图7简化后自然对流风道的原理图。自然对流是由于流体内部存在着温度差，使得各部分流体的密度不同，温度低的流体密度大，必然下降，温度高的流体密度小，必然上升；从而引起流体内部的流动为自然对流。这种没有外部机械力的作用，仅仅靠流体内部温度差，而使流体流动从而产生的传热现象。将本实施例提供的技术方案应用于核电厂数字化仪控系统的无风扇机柜，设计了一种自然对流独立风道；自然对流独立风道图，如图7、图8所示；为了加强自然对流的“烟囱效应”，可以在实际应用过程中增加图1中A的尺寸。另外，关于图7中未详细说明的垂直风道的部分，可以采用中空的管道连接机箱的出风口和机柜的出风口，并且中空管道的最小内径取机箱的出风口和机柜的出风口最大的特征尺寸；也可以采用机柜框架自身的隔板来形成；另外，对于后门上设置的出风口和垂直风道部分之间还设置有引流板。

本实施例优选的实施方式中，机柜出风口面积设置成为通风板的开孔总面积的2倍，并且机箱的出风口面积也为机箱的通风入口面积的2倍。进一步优选的实施方式中，机柜的通风板开孔总面积大小满足公式1的要求：

其中，S为机柜通风板的开孔总面积大小，单位为cm²；Q为机柜内总的热量，单位为w；H为机柜的高度，单位为cm；Δt为机柜内部空气温度与外部空气温度差，单位为℃；

机箱的通风口的面积大小满足如下要求：

S＝S_s+S_t+S_b；

(公式3)

其中，A为机箱的通风口面积的大小，单位为m²；ū为机箱的通风口出的风速，单位为m/s；WT为机箱表面的散热量，单位为w；SS为机箱侧面的面积，单位为m2；St为机箱顶面的面积，单位为m2；Sb为机箱底面的面积，单位为m2；Δt为机箱的温升，单位为℃；σ为玻尔兹曼常数，大小为5.67×10-8；T为机箱的表面温度，单位为℃；T_a为环境温度，单位为℃；ε为发射率，为固定的常数值。

因此，采用上述公式计算后的机柜出风口面积和机箱出风口面积能够更好地容易满足工程设计的实际需求。

最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (10)

1.一种设置有自然对流风道散热的核安全级机柜，其特征在于，包括：

通风入口，设置在所述机柜前门面，并且靠近所述机柜底部；

通风板，设置成将所述通风入口内的风引入所述机柜内的机箱；

出风口，设置在所述机柜上表面；或设置在与所述通风入口所在机柜前门面相对的后门面、且靠近所述机柜上表面的位置处；

其中，所述通风入口、所述通风板以及所述出风口之间形成能够让空气自然流动的自然对流风道，所述自然对流风道设置成能够引起流体内部形成烟囱效应，所述烟囱效应使得所述自然对流风道通风入口温度低、密度大的流体自动下降，内部温度高、密度小的流体自动上升，从而形成自然对流。

2.根据权利要求1所述的机柜，其特征在于，所述机柜设置有多个机箱，每个机箱分别设置有独立的所述自然对流风道，所述自然对流风道的出风口类型包括竖直风道出风口、机柜后出风口；其中，所述多个机箱中的最顶层机箱对应的所述自然对流风道通过所述机柜内部竖直风道出风口出风，所述多个机箱中的非顶层机箱对应的所述自然对流风道通过引流板引导至所述机柜后出风口出风。

3.根据权利要求1所述的机柜，其特征在于，所述机柜包括设置在前门上的前门组件，所述前门组件设置有所述通风入口，所述机柜还设置有位于所述通风板上方的机箱、机柜框架、内部风道引流板以及与带有所述出风口的机柜顶部组件。

4.根据权利要求3所述的机柜，其特征在于，所述机箱的出风口尺寸设置成可选择性地配置，并且所述出风口尺寸与所述机箱的发热量以及机箱的高度相关联；其中，所述机柜内对应的电力系统功耗要求不超过300W。

5.根据权利要求3所述的机柜，其特征在于，所述通风入口的位置分别正对着所述机箱下方处的所述通风板，并且所述通风入口的面积分别至少大于2倍的对应所述通风板面积。

6.根据权利要求3所述的机柜，其特征在于，所述机箱包括外壳、支架、面板、位于所述面板上的开关、指示灯和PCB板，所述外壳用钢板和铝材结合制成；并且所述机箱的上下面板设置成有降温用的通风口。

7.根据权利要求3所述的机柜，其特征在于，位于所述机箱下方的所述通风板，设置成通过端部固定连接至所述机柜框架，并且所述通风板用于形成所述自然对流风道的一部分。

8.根据权利要求3所述的机柜，其特征在于，所述出风口的机柜顶部组件包括与所述机柜框架固定连接的出风口框架，设置在所述出风口框架上的过滤棉以及通风隔板。

9.根据权利要求1-8中任意一种所述的机柜，其特征在于，所述机柜出风口面积设置成为所述通风板的开孔总面积的2倍，并且所述机箱的出风口面积也为所述机箱的通风入口面积的2倍。

10.根据权利要求9所述的机柜，其特征在于，所述机柜通风板的开孔总面积大小满足如下要求：

其中，S为机柜通风板的开孔总面积大小，单位为cm²；Q为机柜内总的热量，单位为w；H为机柜的高度，单位为cm；Δt为机柜内部空气温度与外部空气温度差，单位为℃；

所述机箱的通风入口的面积大小满足如下要求：

S＝S_s+S_t+S_b；

其中，A为机箱的通风入口面积的大小，单位为m²；ū为机箱的通风口出的风速，单位为m/s；W_T为机箱表面的散热量，单位为w；S_S为机箱侧面的面积，单位为m²；S_t为机箱顶面的面积，单位为m²；S_b为机箱底面的面积，单位为m²；Δt为机箱的温升，单位为℃；σ为玻尔兹曼常数，大小为5.67×10^-8；T为机箱的表面温度，单位为℃；T_a为环境温度，单位为℃；ε为发射率。