PL B1. Pokładowy komputer militarny oraz sposób sterowania i kontroli chłodzenia takiego komputera

PL 225063 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 225063 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 409236 (22) Data zgłoszenia: 22.08.2014 (51) Int.Cl. G06F 1/20 (2006.01) H01L 23/38 (2006.01) F28F 3/02 (2006.01) (54) Pokładowy komputer militarny oraz sposób sterowania i kontroli chłodzenia takiego komputera (43) Zgłoszenie ogłoszono: 29.02.2016 BUP 05/16 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.02.2017 WUP 02/17 (73) Uprawniony z patentu: ZAKŁADY MECHANICZNE TARNÓW SPÓŁKA AKCYJNA, Tarnów, PL (72) Twórca(y) wynalazku: DARIUSZ DOMOŃ, Nowa Huta, PL JAN NAWRACAJ, Jodłowa, PL PAWEŁ BUDZIK, Woźniczna, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Grażyna Basa

2 PL 225 063 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest pokładowy komputer militarny oraz sposób sterowania i kontroli chłodzenia takiego komputera. Wynalazek przeznaczony jest do stosowania zwłaszcza w urządzeniach i pojazdach militarnych, gdzie stawiane są szczególne wymagania pod względem hermetyczności obudowy komputera jak i jej mechanicznej wytrzymałości. Tradycyjne systemy chłodzenia urządzeń elektronicznych generujących ciepło takich jak procesory, układy dysków twardych, układy scalone i podobne, oparte są na chłodzeniu za pomocą cieczy chłodzących, przepływających w odpowiednio ukształtowanych i prowadzonych przewodach lub za pomocą powietrza z wykorzystaniem układu nawiewowego lub wyciągowego współpracującego z wentylatorem. Przykładowo ze zgłoszenia patentowego US5606341 znane jest rozwiązanie, w którym procesor laptopa umieszczony jest w obudowie z zabudowaną chłodnicą w której przepływa ciecz. Z opisu patentowego US6055156 znana jest również obudowa komputera wykonana z metalu lub tworzywa sztucznego, która posiada radiatory do odprowadzenia ciepła. Obudowa ma kształt kasety, która na bokach ma usytuowane żebra radiatorów. Odprowadzanie ciepła wspomagane jest pracą wentylatora. W stanie techniki znane są również układy sterujące systemem chłodzenia urządzeń elektronicznych. Przykładowo z patentu EP2472351 znany jest sposób sterowania systemem i system chłodzenia, który zawiera sterownik do monitorowania temperatury urządzeń generujących ciepło poprzez czujniki temperatury i sterowania urządzeniem chłodzącym mającym postać wentylatora. W polskim zgłoszeniu patentowym P.398976 podjęta została próba rozwiązania chłodzenia pasywnego komputera, ale rozwiązanie to nie zostało do końca ujawnione poza informacją że obudowa komputera wyposażona jest w radiatory o odpowiedniej powierzchni chłodzenia. Ze zgłoszenia patentowego WO2006025688A1 oraz WO03046707A1 znane są systemy chłodzenia urządzeń elektronicznych oraz komputery z takim systemem chłodzenia, w których jako źródło chłodzenia zastosowano ogniwo Peltiera współpracujące z układem kontrolno-sterującym. Układ kontrolno-sterujący wyposażony jest w szereg czujników temperatury. Znane urządzenia komputerowe nie mogą być jednak wykorzystane w urządzeniach i pojazdach militarnych pracujących w warunkach bojowych z uwagi na delikatną konstrukcję oraz brak hermetycznego zabezpieczenia układów elektronicznych. W tego typu urządzeniach nie sprawdzają się również urządzenia, w których proces chłodzenia wspomagany jest przy pomocy wentylatorów. Problemem są również gabaryty urządzenia, które z racji pełnionej funkcji muszą być znacznie ograniczone. Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji komputera, nadającego się do pracy w warunkach bojowych. Celem wynalazku jest także opracowanie układu sterowania i kontroli chłodzenia urządzeń elektronicznych, z samoczynną regulacją procesu chłodzenia tych urządzeń poprzez współpracę z systemem kontrolnym temperatury. Pokładowy komputer militarny, zawierający obudowę z zewnętrznym radiatorem, w której usytuowane są urządzenia elektroniczne oraz zespół chłodzenia zawierający co najmniej jedno ogniwo Peltiera, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera hermetyczną odporną na odkształcenia obudowę, wewnątrz której usytuowana jest co najmniej płytka z procesorem i grafiką ponad którą piętrowo usytuowana jest płytka rozszerzeń portów szeregowych, zaś obok płytki z procesorem i grafiką usytuowana jest płytka zasilacza i odrębnie płytka mikrokontrolera sterującego, zaś poniżej wszystkich wymienionych płyt usytuowana jest płyta bazowa sterownika, przy czym zespół chłodzenia wykorzystujący efekt Peltiera składa się co najmniej z zespołu chłodzenia usytuowanego pod płytą procesora z grafiką oraz z zespołu chłodzenia usytuowanego pod płytą zasilacza, które to zespoły połączone są z radiatorem zewnętrznym poprzez obudowę komputera. Korzystnie układ chłodzenia zamontowany pod płytą procesora z grafiką zawiera radiator umieszczony bezpośrednio pod płytą zaś pod nim usytuowane są dwa ogniwa Peltiera, które z drugiej strony przylegają do kolejnego radiatora połączonego z obudową komputera. Korzystnie układ chłodzenia zamontowany pod płytą zasilacza zawiera radiator umieszczony bezpośrednio pod płytą zaś pod nim umieszczone jest ogniwo Peltiera, do którego z drugiej strony przylega radiator połączony z obudową komputera. Korzystnie obudowa wykonana jest z metalu lub tworzywa sztucznego o dużej wytrzymałości.

PL 225 063 B1 3 Korzystnie obudowa wyściełana jest od wewnątrz matą termoizolacyjną. Sposób sterowania i kontroli chłodzenia pokładowego komputera militarnego zawierającego zespół chłodzenia z ogniwami Peltiera, polegający na kontroli temperatury za pomocą czujników temperaturowych i sterowaniu źródłem chłodzenia, przy czym procesy te prowadzi się z wykorzystaniem sterownika procesorowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że czujniki temperatury, które rozmieszczone są na każdym ogniwie Peltiera oraz na każdym radiatorze podają sygnał do układu mikrokontrolera sterującego, współpracującego z układem przetwornic, przy czym jednocześnie do układu mikrokontrolera sterującego podawane są sygnały o wielkości natężenia prądu płynącego przez ogniwa Peltiera, a następnie na podstawie otrzymanych danych mikrokontroler sterujący wytwarza odpowiedni sygnał sterujący, który wysyłany jest do układu przetwornic, gdzie sygnał sterujący zamieniany jest na odpowiedni prąd, który płynie przez ogniwa Peltiera powodując zmiany temperatur na płytach zimnych i ciepłych ogniw Peltiera. Korzystnie czujniki temperaturowe są czujnikami rezystancyjnymi. Rozwiązanie według wynalazku doskonale sprawdza się w warunkach bojowych oraz na ćwiczeniach poligonowych. Wytrzymała i hermetyczna konstrukcja obudowy komputera, sprawia, że wewnętrzne systemy komputera nie ulegają uszkodzeniom w ekstremalnych warunkach użytkowania. Odpowiednie usytuowanie urządzeń i zespołu chłodzenia wpływa korzystnie na gabaryty komputera. System nie wymaga obiegu powietrza wewnątrz obudowy komputera, zaś brak elementów ruchomych (wentylatorów) uodparnia komputer mechanicznie. Komputer można elastycznie konfigurować dostosowując go do wyspecjalizowanych zadań. Rozszerzenie ilości urządzeń elektronicznych i odprowadzenie wytwarzającego się ciepła wiąże się z rozbudowaniem systemu chłodzenia poprzez dodanie kolejnych ogniw Peltiera z odbiornikami ciepła. Wynalazek w przykładzie wykonania został pokazany na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy systemu chłodzenia pasywnego, zastosowany do jednego urządzenia elektronicznego, fig. 2, fig. 3 przedstawia przykładowo skonfigurowany komputer z systemem chłodzenia według wynalazku widziany od wewnątrz w układzie przestrzennym, przy czym fig. 3 przedstawia komputer bez osłony bocznej w celu lepszego zobrazowania wnętrza, fig. 4 przedstawia ten sam komputer w przekroju wzdłużnym A-A, fig. 5 przedstawia ten sam komputer w przekroju B-B, fig. 6 do fig. 8 przedstawiają rozmieszczenie czujników temperatury na poszczególnych urządzeniach komputera, fig. 9 przedstawia schemat ideowy układu chłodzenia dla komputera przedstawionego na fig. 2 do fig. 8, fig. 10 przedstawia schemat ideowy układu kontroli i sterowania systemu chłodzenia przeznaczonego dla komputera przedstawionego na fig. 2 do 8, zaś fig. 11 przedstawia schemat ideowy kontroli i sterowania dla całego przedstawionego powyżej komputera. Wynalazek pokazano na przykładzie wykonania pokładowego komputera militarnego, który składa się z hermetycznej obudowy 1 wykonanej ze stopu aluminium. Obudowa 1 po zewnętrznej stronie ma wyprofilowane żebra tworzące radiator 2. Powierzchnia radiatora 2 jest odpowiednio dobrana z uwzględnieniem ilości ciepła generowanego przez komputer. Wewnątrz obudowa 1 jest wyściełana matą termoizolacyjną 3, która eliminuje przedostawanie się ciepła do wnętrza komputera. Wewnątrz obudowy 1 usytuowane są w różnych płaszczyznach urządzenia elektroniczne to jest płytka 4 z procesorem i grafiką (komputer jednopłytkowy), ponad którą piętrowo usytuowana jest płytka 5 rozszerzeń portów szeregowych. Obok płytki 4 usytuowana jest płytka 6 zasilacza i odrębnie płyta 7 mikrokontrolera sterującego. Poniżej wymienionych płyt umieszczona jest płyta bazowa 8 sterownika. Każda z płyt opiera się na bolcach dystansujących 9. Pod płytą 4 umieszczono radiator 10 pod nim zaś dwa ogniwa Peltiera 11 i 12 w ten sposób, że strona zimna ogniwa Peltiera 11 i 12 przylega do radiatora 10, który oziębia się chłodząc tym samym płytę 4, zaś do strony ciepłej ogniwa przylega odbiornik ciepła w postaci radiatora 13 przykręconego do obudowy 1. Pod płytą 6 umieszczono radiator 14, a pod nim umieszczono ogniwo Peltiera 15 w ten sposób, że strona zimna ogniwa Peltiera 15 przylega do płyty radiatora 14, który chłodzi płytę 6, zaś do strony ciepłej ogniwa 15 przylega odbiornik ciepła w postaci radiatora 16 przykręconego do obudowy 1. Przejęte ciepło przez radiatory 13 i 16 oddawane jest na zewnątrz komputera przez radiator zewnętrzny 2 będący częścią obudowy 1. Całość systemu chłodzenia sterowana jest i kontrolowana systemem kontrolno-sterującym, który składa się z układu sterującego 17, który połączony jest z ogniwami Peltiera poprzez układ przetwornic 18 oraz połączony jest z czujnikami temperaturowymi 19. Czujniki temperaturowe 19 są czujnikami rezystancyjnymi i rozmieszczone są na chłodzonych urządzeniach elektronicznych, na każdym ogniwie Peltiera oraz na każdym radiatorze. Bazowa płyta sterująca 8 z układem sterującym 17 posiada wycięcia pod radiatory 13 i 16. Sygnały o wielkości temperatury na elementach na których zostały

4 PL 225 063 B1 umieszczone przekazywane są do układu sterującego 17. Do układu sterującego 17 przekazywane są również informacje o wielkości natężenia prądu płynącego przez ogniwa Peltiera. Za pomocą przekazanych danych, układ sterujący 17 wytwarza odpowiedni sygnał sterujący, który wysyła do układu przetwornic 18, gdzie sygnał sterujący zamieniany jest na odpowiedni prąd, który płynie przez ogniwa Peltiera powodując mniejsze lub większe różnice temperatur na płytach zimnych i ciepłych. Układ ten może również służyć do łagodnego startu w środowisku obniżonej temperatury. Bardziej szczegółowo układ sterujący systemem chłodzenia 17 przedstawiony jest na fig. 10, a układ sterowania i kontroli całego komputera na fig. 11. Układ sterujący 17 zespołem chłodzenia wykorzystywany w komputerze militarnym składa się z układu mikrokontrolera sterującego, układu sterowania i kontroli chłodzenia, temperaturowych czujników rezystancyjnych 19 rozmieszczonych jak na fig. od 6 do fig. 8 oraz ogniw Peltiera umieszczonych również jak pokazano na fig. 6. Cały układ zasilany jest napięciem 24VDC prądu stałego (możliwe jest również zasilanie układu ze źródła w przedziale napięciowym 18 36VDC). Układ sterowania i kontroli odpowiedzialny jest za odczyt sygnałów temperatury na poszczególnych czujnikach 19 oraz przekazanie tej informacji do mikrokontrolera sterującego, kontrolę oraz generowanie napięć i prądów dostarczanych do: ogniw Peltiera jak i zasilanie układu sterującego mikrokontrolera, odczyt wielkości sygnałów prądów i napięć na ogniwach Peltiera, generowanie sygnałów sterujących pracą ogniw otrzymanych od mikrokontrolera sterującego. Wykaz oznaczeń zastosowanych na schematach fig. 10 i fig. 11: POWER +24V, GND CT1_P1_COLD CT2_P1_HOT CT1_P2_COLD CT2_P2_HOT CT3_CPU_GPU CT4 CT5 CT6 CT4 sygnały zasilania układów sygnał analogowy z czujnika temperatury (w układzie sterowania i kontroli przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazany do mikrokontrolera sterującego, czujnik umieszczony po stronie zimnej ogniwa) sygnał analogowy z czujnika temperatury (w układzie sterowania i kontroli przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazany do mikrokontrolera sterującego, czujnik umieszczony po stronie ciepłej ogniwa) sygnał analogowy z czujnika temperatury (w układzie sterowania i kontroli przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazany do mikrokontrolera sterującego, czujnik umieszczony po stronie zimnej ogniwa) sygnał analogowy z czujnika temperatury (w układzie sterowania i kontroli przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazany do mikrokontrolera sterującego, czujnik umieszczony po stronie ciepłej ogniwa) sygnał analogowy z czujnika temperatury (w układzie sterowania i kontroli przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazany do mikrokontrolera sterującego, czujnik umieszczony tuż pod procesorem oraz układem grafiki komputera) sygnał analogowy z czujnika temperatury (w układzie sterowania i kontroli przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazany do mikrokontrolera sterującego, czujnik umieszczony pomiędzy radiatorem II, a pokrywą obudowy komputera) sygnał analogowy z czujnika temperatury (w układzie sterowania i kontroli przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazany do mikrokontrolera sterującego, czujnik umieszczony po stronie zimnej ogniwa) sygnał analogowy z czujnika temperatury (w układzie sterowania i kontroli przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazany do mikrokontrolera sterującego, czujnik umieszczony po stronie ciepłej ogniwa) sygnał analogowy z czujnika temperatury (w układzie sterowania i kontroli przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazany do mikrokontrolera sterującego, czujnik umieszczony pomiędzy radiatorem IV a pokrywą komputera)

PL 225 063 B1 5 STER_1 sygnał analogowy w postaci prądu i napięcia podawany już z układu kontroli i sterowania na ogniwo Peltiera STER_2 sygnał analogowy w postaci prądu i napięcia podawany już z układu kontroli i sterowania na ogniwo Peltiera STER_3 sygnał analogowy w postaci prądu i napięcia podawany już z układu kontroli i sterowania na ogniwo Peltiera 3.3 3.3, GND sygnały zasilania dla układu mikrokontrolera sterującego DATA BUS sygnały cyfrowe magistral komunikacji z: układami pomiaru temperatury (czujniki temperatury), układami pomiaru prądu i napięcia LOGIC BUS sygnały logiczne dla: sterowania i kontroli ogniw Peltiera (sterowanie załączeniem/wyłączeniem ogniw, zmiana polaryzacji ogniwa co skutkuje zmianą stron z zimnej na ciepłą i odwrotnie), sygnały sterujące mocą ogniw Peltiera. Bardziej szczegółowy opis działania układu sterowania i kontroli chłodzenia przedstawia fig. 11. W układzie sterowania i kontroli chłodzenia wyróżnić możemy następujące bloki funkcyjne: układ przetwornic odpowiedzialny za generowanie odpowiednich sygnałów zasilających dla ogniw oraz dla wszystkich pozostałych układów elektronicznych, zadaniem tego układu jest również odbiór sygnałów sterujących mocą ogniw (P_CON) z mikrokontrolera oraz przetworzenie go na odpowiednie wartości (napięcie), układ komunikacji z mikrokontrolerem układ odpowiada za przekazywanie danych kontrolno- -sterujących. układ kontroli i sterowania ogniwem w skład tego układu wchodzą dwa bloki: Blok sterowania odpowiedzialny za przetwarzanie sygnałów sterujących dla ogniwa takich jak: załączenie wyłączenie, zmiana polaryzacji Blok pomiaru odpowiedzialny za pomiar aktualnych wielkości napięcia i prądu dostarczanych do ogniwa Peltiera układ pomiaru temperatury blok odpowiedzialny za pomiar temperatur oraz przekazanie pomiarów już w formie cyfrowej Oznaczenia sygnałów: P_CON STER_1, STER_2, STER_3 POM_1, POM_2, POM_3 POWER TEMP_BUS sygnały logiczne ( PWM ) dla sterowania mocą ogniw sygnały logiczne załączania, wytaczania, polaryzacji ogniw Peltiera sygnały pomiarowe napięcia i prądu z ogniw Peltiera sygnały zasilania dla ogniw Peltiera sygnały cyfrowe z pomiaru temperatury (czujniki) Zastrzeżenia patentowe 1. Pokładowy komputer militarny, zawierający obudowę z zewnętrznym radiatorem, w której usytuowane są urządzenia elektroniczne oraz zespół chłodzenia zawierający co najmniej jedno ogniwo Peltiera, znamienny tym, że zawiera hermetyczną odporną na odkształcenia obudowę (1), wewnątrz której usytuowana jest co najmniej płytka (4) z procesorem i grafiką ponad którą piętrowo usytuowana jest płytka (5) rozszerzeń portów szeregowych, zaś obok płytki (4) z procesorem i grafiką usytuowana jest płytka zasilacza (6) i odrębnie płytka mikrokontrolera sterującego (7), zaś poniżej wszystkich wymienionych płyt usytuowana jest płyta bazowa (8) sterownika, przy czym zespół chłodzenia wykorzystujący efekt Peltiera składa się co najmniej z zespołu chłodzenia usytuowanego pod płytą (4) procesora z grafiką oraz z zespołu chłodzenia usytuowanego pod płytą (6) zasilacza, które to zespoły połączone są z radiatorem zewnętrznym (2) poprzez obudowę (1) komputera. 2. Pokładowy komputer według zastrz. 1, znamienny tym, że układ chłodzenia zamontowany pod płytą (4) procesora z grafiką zawiera radiator (10) umieszczony bezpośrednio pod płytą (4), zaś pod nim usytuowane są dwa ogniwa Peltiera (11) i (12), które z drugiej strony przylegają do kolejnego radiatora (13) połączonego z obudową (1) komputera. 3. Pokładowy komputer według zastrz. 1, znamienny tym, że układ chłodzenia zamontowany pod płytą (6) zasilacza zawiera radiator (14) umieszczony bezpośrednio pod płytą (6), zaś pod nim

6 PL 225 063 B1 umieszczone jest ogniwo Peltiera (15), do którego z drugiej strony przylega radiator (16) połączony z obudową (1) komputera. 4. Pokładowy komputer według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa (1) wykonana jest z metalu lub tworzywa sztucznego o dużej wytrzymałości. 5. Pokładowy komputer według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa (1) wyściełana jest od wewnątrz matą termoizolacyjną (3). 6. Sposób sterowania i kontroli chłodzenia pokładowego komputera militarnego zawierającego zespół chłodzenia z ogniwami Peltiera, polegający na kontroli temperatury za pomocą czujników temperaturowych i sterowaniu źródłem chłodzenia, przy czym procesy te prowadzi się z wykorzystaniem sterownika procesorowego, znamienny tym, że czujniki temperatury (19), które rozmieszczone są na każdym ogniwie Peltiera oraz na każdym radiatorze podają sygnał do układu mikrokontrolera (17), współpracującego z układem przetwornic (18), przy czym jednocześnie do układu mikrokontrolera (17) podawane są sygnały o wielkości natężenia prądu płynącego przez ogniwa Peltiera, a następnie na podstawie otrzymanych danych mikrokontroler (17) wytwarza odpowiedni sygnał sterujący, który wysyłany jest do układu przetwornic (18), gdzie sygnał sterujący zamieniany jest na odpowiedni prąd, który płynie przez ogniwa Peltiera powodując zmiany temperatur na płytach zimnych i ciepłych ogniw Peltiera. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że czujniki temperaturowe są czujnikami rezystancyjnymi.

PL 225 063 B1 7 Rysunki Fig. 1

8 PL 225 063 B1 Fig. 2

PL 225 063 B1 9 Fig. 3

10 PL 225 063 B1 Fig. 4

PL 225 063 B1 11 Fig. 5

12 PL 225 063 B1 Fig. 6

PL 225 063 B1 13 Fig. 7

14 PL 225 063 B1 Fig. 8

PL 225 063 B1 15 Fig. 9

16 PL 225 063 B1 Fig. 10

PL 225 063 B1 17 Fig. 11

18 PL 225 063 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 4,92 zł (w tym 23% VAT)