小型基站室外机柜使用的降温节能装置

“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”是安装在小型基站室外机柜上的一套密闭循环的翅片管散热装置，在机柜外气温低于机柜内热空气温度时，利用烟囱效应和虹吸作用，可以自动地将机柜内的热空气输送到机柜顶上的翅片管散热器的上部入口，经翅片管散热器散热后，再从翅片管散热器的下部出口，将散热后的空气导进机柜内的下部空间，实现机柜内空气在机柜外的密闭管道里自动持续的循环流动，并在流动过程中隔着管道壁与管道外较凉的空气进行热交换，达到为机柜内空气自动散热的目的。这种装置结构简单、安全可靠、而且不需要供能，可以减少空调机的开启时间，节省空调用电和延长使用寿命，而且不会进入灰尘，不会造成污染，还几乎不需要维护。

(一)技术领域：本发明属于通信基站节能技术领域。(二)背景技术：在移动通信技术领域，随着技术的进步，近年来出现了一种小型的户外“一体化通信基站”，将改进后的组成基站的各种基本要素、基础设施装备，加以深度集成组合和简化设计，安装在室外的小型机柜里。根据任务需要和设备情况，一座一体化基站的小型室外机柜又分隔为几个分开而又相互联系的单元舱体，并与天线铁塔联合装设在一起。如今在街道路边的人行道旁，就可以看到许多这样的小型一体化机柜型通信基站。由于户外机柜里面放置的电器设备在使用过程中会产生热量，需要散热，以维持设备和电器的正常工作温度；同时，放置在室外的机柜也会受到太阳的照射，太阳的照射和夏季较高的气温，都会增加机柜内部的温度，使得机柜里面有可能超过允许的温度上限。因此在为机柜解决散热问题的同时，还要解决防止外界热量进入机柜的问题。一般机柜采用中间夹有泡沫隔热材料的双层金属板隔热结构，来防晒和防外界热量进入；而散热方式通常采用安装小型空调机进行散热温控，以及带有滤网的通风换气方式。由于机柜里面的电器设备是持续地工作的，也就会持续地产生热量，需要持续地进行散热。因此，无论是利用空调机降温，还是通风换气，都需要持续地消耗电能。而且即使使用了滤网，不仅滤网需要经常维护，而且通风换气也还会将灰尘等柜外污染物带进机柜里面，影响设备正常工作。此前本申请人曾调查了北京地区一百多个小型基站室外机柜的现实情况，看到竟然大部分的小型基站是采用开着柜门的方式为机柜里面的设备散热的，说明现有机柜上使用的小型空调机和风扇并不好用。为解决这个问题，本申请人曾提出专利申请“小型基站室外机柜的‘空气柜外自循环’降温节能装置”，是一种在机柜外面气温低于机柜里上部热空气温度时，利用在与机柜相连通的竖直而立的倒U形密闭管道里形成的烟囱效应和虹吸作用，使得机柜里的空气能自动地在机柜外的管道里进行循环流动，并在流动过程中隔着管道壁与机柜外较凉空气进行热交换，从而使机柜里的空气能够自动降温。利用这种不需要供能的持续的自然循环通风装置来为机柜降温，就可以大大减少空调机的开启时间，就能达到节能降温的目的，而且不会进入灰尘，不会造成机柜内的污染，还能延长空调机的使用寿命。不过，该技术方案存在一个缺点，就是用来进行降温的倒U形密闭管道比较高，需要用铁塔或专门的支撑杆配以支撑架来支撑，在许多地方(例如马路边)不太适合使用。现在提出的“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”，是一种低矮紧凑的、同样可以使机柜里的空气能自动地在机柜外的管道里循环流动，并在流动过程中隔着管道壁与机柜外较凉空气进行热交换，从而使机柜里的空气能够自动降温的节能装置。(三)发明内容：本发明“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”，是一种由安装在小型基站的室外机柜[8]上，从开在机柜上部顶面或侧面的进气口[1]开始，将机柜内上部空间的热空气通过能产生烟囱效应的上行气管[2]，与横向管[3]和下行气管[4]组成的倒U形管道结构，输送到卧置在机柜顶上的翅片管散热器[5]的上部入口，再从翅片管散热器[5]的下部出口，经过贴附在机柜的外侧面向下行或从机柜顶部穿进机柜内达到机柜下部空间的下行回气管[6]，和与机柜下部空间相通的管道的出气口[7]，将经过上述具有虹吸作用的密封管道系统散热后的空气，导进机柜[8]内下部空间的一套密封管道散热系统构成；也可以进一步降低高度，省去横向管[3]和下行气管[4]，直接将机柜内上部空间的热空气，通过一节较短的上行气管[2]，输送到卧置在机柜顶上的翅片管散热器[5]的上方入口，再将经过翅片管散热器散热后的空气，从翅片管散热器[5]下方的出口，经过下行的回气管[6]和管道系统的出气口[7]，导进机柜[8]内的下部空间。不难看出，这样的散热管道系统，比此前较高的的“小型基站室外机柜的‘空气柜外自循环’降温节能装置”的高度要低得多。采用具有上行气管，横向管和下行气管的倒U形管道结构与卧置在机柜顶上的翅片管散热器的上部入口相连的结构时，一般横向管在机柜上面的高度在1.5米左右；如果省去横向管和下行气管，直接将机柜内上部空间的热空气通过一节上行气管与卧置在机柜顶上的翅片管散热器的上方入口相连通，其总高度在机柜上不足1 米就可以了。管道的直径可在3厘米至10厘米之间选择。这样紧凑的结构显然比较容易在小型基站的室外机柜上组合安装使用，尤其对处在马路边狭小地面上的小型基站室外机柜更方便使用。由于这种“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”比之前的“小型基站室外机柜的‘空气柜外自循环’降温节能装置”明显降低了高度，也就明显减弱了烟囱效应和虹吸作用的力度，为了弥补散热能力的不足，采用了可以明显延长气体在管道里散热流动路径长度和散热面积的方法，即在机柜上安装了曲折多层的卧置翅片管散热器。这种卧置在机柜顶上的翅片管散热器，具有多层复合结构，不仅每层都有两条或三条或多条并列的翅片管并联组成，而且从处于上部的进气口开始，是分层串联或并联、逐层下降地设置的。上、下可以有两层、三层或更多层，逐层下降地串连或并联在一起，能使里面的空气由上向下地流动，并在流动过程中通过管壁和管壁上的翅片，与管道外的凉空气进行热交换，从而由热变凉，直到从翅片管散热器底层的出口流出，经下行的回气管和管道系统的出气口，流进机柜的下部空间，也就形成了机柜内的空气在机柜外的管道里的柜外循环流动，并在循环流动的过程中，隔着管壁与管道外较凉的空气进行热交换，达到为机柜内空气降温的目的。只要机柜外的气温低于机柜内上部热空气的温度，在安装有“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”的情况下，竖直而立的上行气管里的热空气，就会因比重轻所形成的烟囱效应而上升，经过顶部横向管和下行气管，以及卧置在机柜顶上逐级下降的翅片管散热器的密闭管道系统，隔着容易传热的管道壁和管道上的翅片，与柜外较凉的空气进行热交换，边流动边散热，逐渐变凉变重后下沉，并产生虹吸作用，直至从管道的出气口流出，进入机柜的下部空间。当机柜内上部的热空气进入管道后，上部的空缺就由下部的较凉的空气上升填补，形成循环流动，使得机柜内的温度降低。整个过程中除了上行气管的烟囱效应起作用，更有密闭管道里的虹吸效应在起作用，促使气体的自然循环流动。这种流动是不需要外界供能的，而且只要机柜外面的空气温度低于机柜内上部热空气的温度，这种气体的循环流动就会持续不断地进行。这就可以达到为机柜内热空气降温的目的，使其内的温度与机柜外较凉的气温趋近。在这里，需要注意的是，整个管道系统必须是气密性的，否则就难以形成有效的虹吸效应和空气的单向循环流动。夏季当机柜外的气温比机柜内上部的空气温度还高时，管道系统里的空气也会变热。如果管道内的空气变得比机柜内的热空气更热，就会因为更热的空气比重比机柜内的空气更轻，而浮在上面，不会进入机柜。此时开启空调机降温，管道里的热空气也不会增加空调机的负担。管道的密封连接方法，可以焊接，也可以用加有密封垫圈的螺丝口对接或法兰盘对接等方式连接。“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”的气密性散热管道，是由容易传热的金属材料制成的。由于是在室外使用，因此材料本身要具有耐候性，或进行耐候性的表面处理。而且，为了加强管道内、外空气热交换的面积、效能和速度，除了卧置在机柜顶上逐级下降的翅片管散热器，其他管道也尽可能多地使用管道外带有散热片的翅片管制作，尤其使用不锈钢或铝合金翅片管更好。为了加强“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”的安装强度和稳固性与安全性，在机柜[8]上面的四角，安装有可将管道系统的适当部位加以固定的方框状支架[9]，支架[9] 的框架之间还有防护网[10]。支架的高度一般在80cm以内。由于“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”是在室外使用的，就免不了会被太阳晒。而太阳晒不利于散热，因此需要在管道能够被太阳晒的顶面和东、南、西三个向阳面，加装可防太阳晒的遮阳板[11]。在上行气管[2]、横向管[3]和下行气管[4]上的遮阳板，遮阳而不挡风、不接触地附装在管道的外围；而卧置在机柜顶上的翅片管散热器[5]的遮阳板，安装在机柜顶上的支架[9]上，稍微与散热管道离开一些距离，而不与散热管道相接触，避免将太阳晒产生的热量传到散热管上。为了既能遮阳又不挡风，以便有利于散热，遮阳板可以分开成多条，互相独立并交错开来，之间有适当的可以通风的空隙。支架[9]上的遮阳板最好竖向V字形设置，以尽量避免晒热的热空气被吹到散热管道上。在防护网[10]或遮阳板[11] 上，还可以安装有适当的太阳能电池版[12]，并在管道系统的进气口[1]附近安装不影响自然通风和配有蓄电池以及温度控制机构的小风扇[13]，在白天天气较热柜内外温差较小时，自动开启太阳能供电的小风扇，加速气体的循环流动，也就加强了散热的能力。小型室外一体机基站利用“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”来实现节能，不仅一次性投入的成本低，而且安全可靠，不需要进行经常性的维护和后续投入，还完全没有噪音和污染，虽然在天热时不能完全取代空调机的作用，但却能够明显减少空调机的工作时间，节省空调机用电，延长空调机的使用寿命。只要机柜外气温不高于机柜内热空气的温度，这种装置就能持续地自动运行发挥节能降温的作用。另外，这种装置是安装在机柜上的，所占据的空间也在机柜上面，并没有占用横向面积和空间，而且总高度并不很高，因此很适合在横向区域受到限制的、狭窄的路边安装使用。这种节能装置适合在全国范围内使用，即使是南方气温比较高的地区，也会有多半时间处于机柜外温度低于机柜内热空气温度的时段，这种降温装置就能自动发挥降温和节能作用。(四)附图说明：图1是安装在一体化基站室外机柜上的“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”的纵向示意图。为了突出主题，在这里没有画出正面的遮阳板。从标记[1]经过标记[2]、标记[3]、标记[4]、标记[5]，标记[6]，到标记[7]，表示了机柜的空气在这种降温节能装置的密封管道里进行循环流动的路径。其中，标记[1]表示管道装置的进气口，同时也是开在机柜上部(顶部)的出气口；标记[2]表示上行气管；标记[3]表示顶部横向管；标记[4]表示下行气管，标记[5]表示卧置在机柜顶面上的翅片管散热器，标记[6]表示下行的回气管，标记[7]表示出气口，标记[8]表示机柜。标记[9]表示安装在机柜[8]顶面上的支架，标记[10]表示支架框架之间的防护网，标记[11]表示遮阳板(支架正面的遮阳板未画出)，标记[12]表示支架侧面遮阳板上附加的太阳能电池板。标记[13]表示管道系统进气口附近安装的配有蓄电池以及温度控制机构的小风扇。(五)具体实施方式：通常，可以按照说明书附图的示意，对小型基站的机柜进行总体设计和制造，也可以对现有小型基站的机柜进行加装“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”的节能改造。与常规机柜相比，增加了降温节能管道系统。用于“小型基站室外机柜使用的降温节能装置”的密封管道系统，由容易传热并具有耐候性的比较轻便的金属翅片管(例如铝合金翅片管或不锈钢翅片管)密封在一起组成。需要特别注意的是，这套装置的管道系统从进气口[1]开始，直到出气口[7]，全都处于气密性连接状态。而且与机柜的连接也必须密封。也就是说，机柜内空气进入管道后，在整个机柜外循环的过程中，既不会从某个缝隙处流出，也不会有机柜外空气从某个缝隙处流入。整个管道系统只有实现密封，才能具有有效的虹吸效果和起到自动循环降温作用。这个装置的循环通风系统虽然与机柜外空气不直接沟通，但却可以通过管道装置的器壁，尤其具有大接触面积和高传热能力的金属翅片管的管壁和翅片，与机柜外空气进行热交换。而且，只要机柜外温度比机柜内上方热空气的温度低，进入管道里的热空气与机柜外较凉的空气进行热交换而散热后，就会自动顺着下行气管下沉，并经卧置在机柜顶面上的翅片管散热器进一步散热和下沉，最后从下行的回气管和出气口流进机柜，而同时，机柜内上方的热空气也会由于烟囱效应和虹吸作用，自动从进气口流进该散热装置的管道里，并顺序通过密封连接的上行气管、顶部横向管、进入下行气管和卧置在机柜顶面上的翅片管散热器，充分散热后，再通过回气管和出气口，流回机柜内，形成单向循环流动，而不会发生反向流动。在这个循环流动过程中，流入管道系统的机柜内热空气只是通过管道的器壁和翅片与机柜外较凉的空气进行热交换。由于在整个热交换的过程中，空气是被管道封闭的，没有直接进入机柜外空气，因此也就不会将灰尘等污染物带进机柜内。又由于这个循环流动是利用自然规律，依靠因热空气与凉空气的比重不同而造成的升、降作用，和虹吸效果所形成的自然通风来实现循环流动的，因此是不需要专门供给能量的，也没有噪音和污染。而在夏天天气热，当机柜外气温比机柜内上方的热空气温度更高时，机柜外的热空气即使加热了机柜外管道里的空气，由于这种管道里比机柜内上方热空气更热的空气比重更轻，就不会从管道里流进机柜内，不会导致机柜内气温进一步升高，也不会影响此种状态下利用空调机进行的降温。在机柜的顶面四角安装支架，支架可以对管道系统起支撑作用，同时支架上的防护网还可以对管道系统起到保护作用。在支架的顶部和侧面，像百叶窗那样安装既能遮阳又能通风的遮阳板。在侧面的条状遮阳板上，还可以附加安装适当规格的太阳能电池板，能够为安装在管道系统进气口附近的配有蓄电池以及温度控制机构的小风扇供电。