小型基站室外机柜的“空气柜外自循环”降温节能装置

“小型基站室外机柜的‘空气柜外自循环’降温节能装置”，是一种在室外小型一体机通信基站的机柜上使用的结构简单、成本很低、安全可靠、而且不需要供能的降温节能装置，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倒U形密闭管道里形成的虹吸作用，使得机柜里的热空气能自动地进入管道里进行柜外循环流动，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，降温后再自动流回机柜里，从而达到为机柜里的空气自动降温的效果。利用这种不需要供能的持续的自然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，节省空调用电，并延长空调机的使用寿命，而且不会进入灰尘，不会造成机柜内的污染。

(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(多为三个，也有一个、两个或四个的)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。多数铁塔是固定安装在地面上的，也有将铁塔和机柜组合安装在可以移动的底座上的。过去的常规基站都比较大，一般占地面积都在十多平米，而且设置在比较偏僻的一片较大的专门地面上，或楼房的屋顶上，如今街道路边非常狭窄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。安放在户外的一体化通信基站的机柜，其柜高一般在2米左右，每个单元舱体的宽度和深度一般在1米左右。一方面，户外机柜里面放置的许多电器设备，即使是比较节能、发热量小的，在使用过程中也会产生热量，需要散热，以便维持设备和电器的正常工作温度；另一方面，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。本发明人在提出这项针对小型一体化基站节能的创新技术之前，曾对这种新型基站的现状进行了一番考察调研，查看了数十个小型基站，竟然发现，如今由于不能正常散热，许多(几乎一半)室外机站的机柜，是长期采用在一定程度上打开机柜门的不得已办法来散热的。有的是大开，有的专门控制地开一个10厘米左右的缝隙。虽然有的可能是被盗，但即使是装置在牢固的防盗网里的小型基站，也有专门将机柜门打开来散热的。这些做法显然会进入灰尘等污染物，而不利于设备正常工作。本发明提出的“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虹吸作用，使得机柜里的空气能自动地在管道里进行柜外循环流动，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装置。利用这种不需要供能的持续的自然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，也基本不需要开启换气扇通风，更不需要打开机柜门，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。(三)发明内容：本发明“小型基站室外机柜的‘空气柜外自循环’降温节能装置”，是一种适合小型通信基站室外机柜使用的降温节能装置。这种装置安装在小型基站的室外机柜[6]上，由一个或几个(一组)倒U形密封管道系统组成。倒U形管道系统是由进气口[1]和上行气管[2]、顶部横向管[3]、下行气管[4]和出气口[5]组成。管道的进气口[1]开在机柜上部，也是机柜的出气口，而管道的出气口[5]开在机柜的下部，也是机柜的进气口。这个管道气体自循环流动系统是气密性的。在管道里面流动的是从机柜内导出的热空气，与管道外面紧挨的机柜外的空气不相互沟通。这种气密性管道通风散热结构的主要散热部分，是竖直而立的上行气管[2]、顶部横向管[3]和下行气管[4]，其进气口[1]与机柜内热空气所在的上部空间相连，可以直接开口在机柜的顶面或侧面或背面的上部(机柜的正面是柜门)，也是机柜的出气口；而管道系统的出气口[5]则开在机柜侧面或背面的下部，也是机柜的进气口，与机柜内较凉空气所在的下部空间相连。因此，上行气管[2]和下行气管[4]并不等长。下行气管[4]比上行气管[2]长一些，大约长出机柜进气口[1]和出气口[5]之间的高度差。包括上行气管[2]、顶部横向管[3]和下行气管[4]在内的、竖直而立的倒U形气密性管道散热结构的高度，也就是顶部横向管[3]所处的高度，根据机柜内所安装的设备装置的发热量大小，可以在3米至20米之间选择，而管道的直径在4厘米至20厘米之间选择。根据具体情况，一般选择管道结构的高度在6米左右，而管道直径在10厘米左右为宜。在机柜外面的气温低于机柜内上部热空气温度时，“小型基站室外机柜的‘空气柜外自循环’降温节能装置”(简称“室外机柜空气柜外自循环降温装置”)，能够使空气在柜外自动循环流动运行的原理，是由于竖直而立的密封管道的上行气管[2]和下行气管[4]里面的空气温度热、凉不同，因而分别具有不同的比重，使得上行气管[2]里面较热较轻的空气上升，而下行气管[4]里面较凉较重的空气下沉，在密封管道里形成虹吸效应(这与水在密封管道里因大气压和高度差形成的虹吸效应类似，但不同)，产生自动的单向流动，从而将机柜内的热空气从上面的进气口[1]自动引导出机柜外，流经机柜外的密封管道，并隔着容易传热的管道壁，与机柜外较凉的空气进行热交换，被冷却之后再从下面的出气口[5]流回机柜内，就形成不需要供能的持续的空气自然流动通风换气。通过这种机柜内空气持续进行的“机柜外自循环”流动，隔着管壁与管道外较凉的空气进行热交换，就可以达到为机柜内热空气降温的目的，自动降低机柜内空气的温度，使其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。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。管道的进气口和出气口与机柜相连接的地方，最好采用法兰盘对接方式灵活连接，以便于安装和拆卸。进气口和出气口安装在机柜侧面或背面时，开口处需要使用带有90度拐角弯头的法兰盘连接，而且该处需要有骨架增加强度。由于室外机柜占地面积很小，而“室外机柜空气柜外自循环降温装置”却具有较高的竖直而立的管道，因此为了能够安全牢固地安装和正常使用，就需要有可以依附和支撑的、能够牢固竖立的支架。通常情况下，竖直而立的空气柜外自循环散热管道结构，可以利用机柜旁边的铁塔[7]伸出到机柜上面的固定架[8]进行支撑和固定安装，也可以在机柜旁栽装支撑杆进行固定支撑。“室外机柜空气柜外自循环降温装置”的倒U形气密性散热结构的管道，是由容易传热的金属材料制成的。由于是室外使用，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，最好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。由于“室外机柜空气柜外自循环降温装置”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，因此需要在能够被太阳晒的向阳面，加装可防太阳晒的遮阳板[9]。遮阳板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，遮阳板可以分开成三条，互相独立，之间有适当的可以通风的空隙。遮阳板可以通过不易传热的固定板[10]安装在管道上。一旦机柜外气温温度高过机柜内上方热空气的温度，被机柜外气体加热了的管道里的气体，由于其比重比机柜内上方热空气的比重更小，因此机柜外的管道里比机柜内热空气更热的空气，不会自动流进机柜内，不会影响空调机对机柜进行降温。必要时，也可以在管道系统的进气口[1]处加装一个轻盈的单向阀板，在柜外温度高过柜内上方温度时，会自动关闭进气口，切断空气的流动，而在柜外温度比柜内上方气温低时，阀板会自动开启，使空气可以流动。阀板的开、闭可以采用简单的机械方式控制，也可以采用温控电路控制。小型室外一体机基站利用“室外机柜空气柜外自循环降温装置”来实现节能，不仅一次性投入的成本极低，而且安全可靠，不需要进行维护和后续投入，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。同时，这种成本低廉的基本设施还不会像空调机和蓄电池那样成为盗贼偷盗的目标，不会因被盗而失去效用。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，因此不会影响在横向区域受到限制的、狭窄的路边安装。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节能作用。(四)附图说明：图1是安装在具有三个单元舱室一体化基站室外机柜上的“小型基站室外机柜的‘空气柜外自循环’降温节能装置”，从机柜背面观看的纵向示意图。在这里，为了简便说明问题，只画了一个单元，而实际上，根据机柜舱室散热的需要，可以安装两个甚至三个“室外机柜空气柜外自循环降温装置”单元。若是两个或三个单元竖直而立的管道，可以在适当高度上用不易传热的骨架将其互相支撑，并固定在铁塔伸出的固定架[8]上，或在紧挨机柜处安装一根轻便的专门的支撑杆上，用固定架[8]固定。从数标[1]经过数标[2]、数标[3]、数标[4]，到数标[5]，表示了机柜的空气在这种降温节能密封管道装置里进行柜外循环流动的路径。其中，数标[1]表示这种管道装置的进气口，同时也是开在机柜上部(顶部)的出气口；数标[2]表示上行气管；数标[3]表示顶部横向管；数标[4]表示下行气管，数标[5]表示管道系统的出气口，同时也是开在机柜下部(背面)的进气口；数标[6]表示三个单元的机柜；数标[7]表示铁塔或支撑杆；数标[8]表示从铁塔或支撑杆伸出的能够承重并在一定程度上支撑管道装置的固定架，数标[9]表示遮阳板，数标[10]表示将遮阳板安装到管道上的固定板。(五)具体实施方式：通常，“小型基站室外机柜的‘空气柜外自循环’降温节能装置”的上行气管[2]、顶部横向管[3]、下行气管[4]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，这套装置从进气口[1]开始，到上行气管[2]、顶部横向管[3]、下行气管[4]]，直到出气口[5]，全都处于气密性连接状态。也就是说，机柜内空气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[4]向下沉，并经出气口[5]向机柜内流动，而同时，机柜内上方的热空气也会自动从进气口[1]流进该管道散热装置的管道里，并顺序通过密封连接的上行气管[2]、顶部横向管[3]、进入下行气管[4]，并通过出气口[5]，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，因此也就不会带进机柜内灰尘等污染物。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，来实现循环流动和进行热交换的，因此是不耗能的，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。由于这种管道结构比较高，直接安装在机柜上时，不仅会对安装部位产生较大的压力，而且还会在风吹时产生较大的摇晃应力，因此不仅机柜的相应部位需要有钢铁骨架加强，而且需要利用旁边的铁塔伸出能够具有支撑和承重作用的固定架，对这种管道系统进行固定和支撑，以便减小管道对机柜的压力和摇晃应力。最好采用较薄较轻便而且耐候性好的不锈钢或铝合金翅片管制作管道系统。还需要在管道的向阳面安装防晒板，否则会因太阳晒而降低管道里气体的降温效果。