DE2056699A1

DE2056699A1 - Kuhlsystem, insbesondere fur Schal tungsanordnungen

Info

Publication number: DE2056699A1
Application number: DE19702056699
Authority: DE
Inventors: Richard Chao San Gupta Omkarnath R Hwang Un Pah Poughkeepsie Moran Kevin Patrick Wappingers Falls Simons Robert Edward Poughkeepsie N Y Chu (V St A)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-12-22
Filing date: 1970-11-18
Publication date: 1971-06-24
Also published as: FR2071964A1; GB1319091A; JPS486301B1; CA921159A; FR2071964B1; US3586101A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, IO. November 1970 ar-sk

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10

Amtl.Aktenzeichenι Neuanmeldung Aktenz.d.Anmelderin: Docket PO 969 058

Docket PO 969 058

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Kühlsystem, insbesondere für Schaltungsanordnungen

Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Kühlsystem, insbesondere zur Kühlung von vorzugsweise übereinander in Kühlkammern angeordneten Objektaimit einer an der unteren Seite in die Kühlkammern einfließenden, an der Kühlstelle verdampfbaren und an der oberen Seite austretenden durch ein geschlossenes Zirkulationssystem strömenden Kühlflüssigkeit, das aus einem über de>n zu kühlenden Objekten angeordneten Vorlauf-Reservoir und den damit und mit den Kühlkammern ver- \ bundenen Vorlauf- und Rücklaufleitungen besteht.

Derartige Kühlsysteme werden zweckmäßigerweise zur Kühlung von Schaltungsanordnungen in elektronischen Hochleistungs-Rechnern verwendet. Zur Erzielung kürzester Zugriffszeiten und höchster Signal-Verarbeitungsgeschwindigkeiten sind die Schaltungsanordnungen dieser Hochleistungs-Anlagen in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt, deren vorteilhafte Iferkmale unter anderen eine große Packungsdichte, insbesondere von Halbleiter-

bauelementen und kürzeste Leitungsverbindungen sind; nachteilig ist bei dieser Schaltungstechnik bei der die Halbleiterbauelemente z.B. Dioden und Transistoren zu Bausteinen, den sogenannten Moduls zusammengefaßt sind, die große Wärme-Konzentration auf sehr kleinem Volumen. Da diese Halbleiter-Bauelemente nur in einem begrenzten Temperaturbereich zuverlässig arbeiten und nur in diesem Bereich die geforderten charakteristischen Eigenschaften aufweisen, sind um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, besondere Kühlungs-Maßnahmen erforderlich, um die von diesen Bauelementen erzeugte Wärme abzuleiten, außerdem ist dafür zu sorgen, daß an den Bauelementen bzw. den Moduln immer eine gleiche Temperatur besteht, die etwas unter der zulässigen Betriebstemperatur liegen sollte. Dieses erfindungsgemäße Kühlsystem dient zur Entfernung der Wärme, die in den elektronischen zu Moduls zusammengefaßten Bauelementen erzeugt wird und zur Konstanthaltung ihrer Temperatur.

Die stetige Weiterentwicklung der Schaltungstechnik hat zu elektronischen Bauelementen geführt, welche nur noch Miniaturabmessungen aufweisen und die in integrierter Bauweise zu Moduls zusammengefaßt sind. Einer der Faktoren, die die weitere Verkleinerung dieser elektronischen Bauelemente begrenzen, ist das Kühlproblem. Etwa im gleichen Verhältnis wie diese Bauelemente in ihrer Größe reduziert werden, hat sich auch die zur Verfügung stehende Kühlfläche bzw. Wärmeableitmöglichkeit verringert. Demzufolge ist es erforderlich, neue Techniken zur Kühlung dieser miniaturisierten Bauelemente zu schaffen. Es sind bereits Kühlsysteme bekannt geworden, bei denen der wärmeerzeugende Schaltungsteil in einen mit einer dielektrischen Kühlflüssigkeit gefüllten Tank einragt, wobei die zu kühlenden Bauelemente von dieser Kühlflüssigkeit umgeben sind. Als Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise eine Flüssigkeit verwendet, die einen niederen Siedepunkt aufweist, z.B. Fluorkohlenstoff.

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Derartige dielektrische Kühlflüssigkeiten stehen mit verschiedenen wählbaren Siedepunkt-Temperaturen zur Verfügung. Es ist somit möglich, für jede zulässige Betriebstemperatur eine entsprechend angepaßte Kühlflüssigkeit zu finden und verschiedene auf den jeweiligen Zweck zugeschnittene Kühlanordnungen zu konstruieren. Die Art der zweckmäßigsten Kühlung und demzufolge die Wärmeableitung bzw. Wärmeübertragung ist von dem Wärmefluß an der Grenzfläche zwischen dem wärmeerzeugenden Bauelement und der Kühlflüssigkeit abhängig. Erzeugt das zu kühlende Objekt einen Wärmefluß, dessen Temperatur unter dem Siedepunkt der Kühlflüssigkeit liegt, dann ergibt sich als zweckmäßig ein nach dem Konvektionsprinzip wirkendes Kühlverfahren. Ist die Wärmeerzeugung jedoch so groß, daß die Temperatur des Wärmestromes über der Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit liegt, dann beginnt die Kühlflüssigkeit in der heißen Grenzschicht zu sieden, in dem sich um Kerne Dampfbläschen bilden. Durch das Sieden der in unmittelbarer Nähe der heißen Stelle des zu kühlenden Objektes befindlichen Kühlflüssigkeit wird erreicht, daß die Kühlflüssigkeit in diesem Bereich verdampft. In der Siedeflüssigkeit bilden sich Dampfbläschen, die von der heißen Oberfläche des zu kühlenden Objektes ausgehen und' die sich reihenförmig formieren und zur Oberfläche der Kühlflüssigkeit aufsteigen. Diese Dampfbläschenreihen bilden somit wärmeableitende Mikro-Konvektionsströme. Durch das Sieden der Kühlflüssigkeit an der heißen Stelle des zu kühlenden Objektes und durch die aufsteigenden Dampfbläschen ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der Konvektionskühlung durch eine Flüssigkeit und demzufolge eine beachtliche Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen der heißen Oberfläche des zu kühlenden Objektes und der Kühlflüssigkeit, die in manchen Fällen lediglich als Zwischenglied zur Wärmeübertragung dient* Wenn sich an dem zu kühlenden Objekt die Wärmeerzeugung und damit der Wärmestrom erhöht, vermehrt sich gleichzeitig auch die Anzahl der aus der Kühlflüssigkeit aufsteigenden Dampfbläschen, die sich dann aneinander lagern und größere Dampf-

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blasen bilden, wodurch sich wieder eine erhöhte Wärmeableitung ergibt. Daß die Wärmeübertragung durch die dielektrischen Kühlflüssigkeiten, welchen einen unter der zulässigen Betriebstemperatur der elektrischen Bauelemente liegenden Siedepunkt aufweisen, sehr wirksam ist, wurde durch bereits bekannte Kühlsysteme nachgewiesen. Jedoch bestehen bei diesen bekannten Kühlsystemen noch andere, nicht gelöste Probleme, z.B. die richtige Anordnung aller zu kühlenden elektrischen Bauelemente, so daß sie möglichst alle gleichmäßig von der Kühlflüssigkeit umgeben sind, oder das Problem der Zugänglichkeit der in die Flüssigkeit einragenden Bauelemente bei der Wartung, Prüfung oder Störungssuche in einer Schaltungsanordnung.

Ein nach diesem vorstehend erwähnten Prinzip wirkendes Kühlsystem, das in einem bestimmten Bereich selbst regelbar ist, und bei dem eine thermisch beeinflußte Flüssigkeits-Zirkulation stattfindet, wurde bereits zur Kühlung von Schaltungsanordnungen in der deutschen Patentanmeldung P 2O4675O.9 vorgeschlagen, die dicht gepackte Moduls aufweisen. Bei diesem bereits vorgeschlagenen Kühlsystem befindet sich über der zu kühlenden Schaltungsanordnung ein Reservoir für die Kühlflüssigkeit. Von dort strömt diese durch Leitungen zu den in Gruppen zusammengefaßten und in Kammern einragenden Moduls. Je nachdem, welche Wärme diese Moduls erzeugen, wird die zugeführte Kühlflüssigkeit in einen heißen Flüssigkeitsstrom und in einen Dampfstrom aufgeteilt, die beide durch eine gemeinsame Rückleitung dem Reservoir wieder zugeführt werden. Beim Eintritt der beiden, die abzuleitende Wärme transportierenden Ströme in das Gefäß des Reservoirs tropft die erwärmte zurückfließende Kühlflüssigkeit in die im Behälter vorhandene Kühlflüssigkeit und vermischt sich mit dieser, während der dampfförmige Strom auf ein Kühlgerät auftrifft, wo der Dampf wieder zu Flüssigkeit kondensiert und diese ebenfalls in die vorhandene Kühlflüssigkeit tropft und sich mit dieser vermischt. Ein derartiges Kühlsystem, mit einer durch eine Ringleitung

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zirkulierenden Kühlflüssigkeit die durch die abzuführende Wärme in einen heißen Flüssigkeitsstrom und in einen Dampfstrom aufgeteilt wird, ist äußerst wirksam bei Schaltungsanordnungen, die eine niedere bzw. mittlere Verlustleistung aufweisen. jMbderne Hochleistungsrechner, in deren dicht gepackten Schaltungskreisen relativ große elektrische Leistungen in Wärme umgesetzt werden, benötigen jedoch noch wirksamere Kühlsysteme als das vorstehend erwähnte Kühlsystem für niedere oder mittlere Leistungen um die großen Wärmemengen abzuführen. Die Wirksamkeit des vorstehend erwähnten bereits vorgeschlagenen | Kühlsystems, deren Flüssigkeits-Zirkulation auf dem Schwerkraftprinzip basiert, ist nach oben durch zwei wesentliche Merkmale begrenzt. Diese beiden die Wirksamkeit einschränkenden Merkmale sind erstens: die Begrenzung der Flüssigkeitszirkulation durch die Kühlkammern, in welche die zu kühlenden Moduls einragen und zweitens durch den in den Modul-Kühlkammern herrschenden Rückdruck, der durch die Flüssigkeitssäule bestimmt ist, welche sich in den Rückflußleitungen zwischen den Modul-Kühlkammern und dem Reservoir bildet. Dieser Rückdruck ist in den einzelnen übereinander angeordneten Modul-Kühlkammern verschieden groß und ist davon abhängig, auf welcher Hone im Gestellrahmen sich eine Modul Kühlkamraer befindet. *

Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein leistungsfähigeres Kühlsystem mit Selbstregelung insbesondere für elektronische Hochleistungsreohner zu schaffen, in deren dicht gepackten Schaltungskreisen auf kleinsten Räumen eine große Wärmemenge erzeugt wird, welche zuverlässig abzuleiten ist, so daß die zulässige Betriebstemperatur für die empfindlichen Bauelemente mit Sicherheit nicht überschritten wird. Weitere Forderungen, die das neue Kühlsystem erfüllen soll, sind: Daß an jedem zu kühlenden Modul möglichst jeweils ein gleichgroßer und minimaler Rückdruck besteht. Daß wenigstens eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, die den Zweck hat, eine

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Kondensation des Dampfes zu bewirken und eine Abkühlung der heißen Kühlflüssigkeit, dass beim Auftreten einer Störung in der Zirkulation der Kühlflüssigkeit die Kühlung über eine bestimmte Zeit noch aufrecht erhalten wird und daß das Leitungssystem platzsparend in die Gestellrahmen, welche die zu kühlenden Schaltungskreise tragen, mit einbezogen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von den Kühlkammern ausgehenden Rücklaufleitungen mit einem senkreeht angeordneten an beiden Enden offenen Sammelrohr verbunden sind, dessen unters Ende in ein Auffang-Reservoir und dessen oberes Ende in ein Kühlgefäß mit einem darin angeordneten Kühler mündet, und daß zur Kühlung und zur Rückführung der im Auffang-Reservoir angesammelten Kühlflüssigkeit in das Vorlauf-Reservoir ein Kühl-Aggregat und eine Pumpe vorgesehen sind.

Die Erfindung ist somit eine wesentliche Verbesserung eines bereits vorgeschlagenen Kühlsystems mit einer nach dem Schwerkraftprinzip zirkulierenden Flüssigkeit und einem von der abzuführenden Wärmemenge abhängigen Selbstregel-Effekt. Der Vorzug dieses erfindungsgemäßen Kühlsystems besteht im wesentlichen darin, daß es leistungsfähiger ist und eine größere Wärmemenge ableiten kann als das bereits vorgeschlagene Kühlsystem. Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist insbesondere zur Kühlung von elektronischen Bauteilen, vorzugsweise von wärmeempfindlichen Halbleiterelementen, die in großer Packungsdichte in Moduls zusammengefaßt sind, ausgelegt. Diese Moduls als zu kühlende Objekte sind Bestandteile der Schaltungsanordnung von elektronischen Rechnern und sie sind vorzugsweise in einer vertikalen Ebene übereinanderliegend zu Gruppen zusammengefaßt, wobei jede Gruppe in eine Kühlkammer ragt, die von der Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Die kalte Kühlflüssigkeit fließt im Vorlauf von einem im Oberteil des Rechners angeordneten Reservoir über Verteilerleitungen zu

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den Kühlkammern. Jede Kühlkammer wird unabhängig von ihrem vertikalen Abstand von dem Vorlauf-Beservoir von der gleichen Kühlflüssigkeitsmende durchflossen; um dies zu bewerkstelligen, sind in den Verteilerleitungen die einzelnen Flüssigkeitsströme regulierenden Einrichtungen vorgesehen. Innerhalb jeder Kühlkammer ist eine Anzahl weiterer kleiner Modul-Kühlkammern angeordnet, die jeweils ein Modul umschließen und die zur Führung des Kühlflüssigkeitsstromes dienen. Der Siedepunkt der Kühlflüssigkeit ist so gewählt, daß er unter der zulässigen Betriebstemperatur der zu kühlenden Bauelemente liegt. Durch die in diesen Bauelementen erzeugte Verlustwärme, wird die Kühlflüssigkeit in einen Dampfstrom und in einen heißen Flüssigkeitsstrom aufgeteilt, die beide gemeinsam die Kühlkammern an einem oberen Aus gang über Rücklaufleitungen gleicher Länge verlassen. Diese einzelnen Rücklaufleitungen, die alle nur eine geringe Steigung aufweisen, führen in verschiedenen Höhen zu einer senkrechten unten und oben offenen Sammelleitung, in der eine Aufspaltung der beiden heißen Rücklaufströme erfolgt. Die heiße, aus den einzelnen Kühlkammern rückfließende Kühlflüssigkeit läuft in der Sammelleitung nach unten in ein Auffangreservoir und wird von dort über ein Kühl-Aggregat wieder zum Vorlauf-Reservoir gepumpt. Die aus den einzelnen Rücklaufleitungen austretenden Dampfströme steigen in der Sammelleitung nach oben und gelangen zu einem Kühler, an dem sie kondensieren. Die Kondensationsflüssigkeit tropft in ein Auffanggefäß und wird von dort durch ein Ablaufrohr dem unteren Auffang-Reservoir zugeführt, wo sie sich mit der heißen Kühlflüssigkeit vermischt und letztlich über das Kühlaggregat wieder in das Vorlauf-Reservoir gepumpt wird. Diese erfindungsgemäße Anordnung zur Aufteilung des aus den einzelnen Rücklaufleitungen fließenden heißen Kühlmittels in zwei Ströme, einen heißen Flüssigkeitsstrom und in einen Dampfstrom, hat den Vorteil, daß sich in allen Kühlkammern nur ein sehr kleiner, praktisch vernachlässigbarer Rückdruck bildet, der außerdem in allen Kühlkammern gleich groß ist. Ein

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weiterer Vorzug dieser Anordnung ist der, daß sich dem fließenden Kühlmittel ein weit geringerer Widerstand entgegenstellt, als in dem bereits früher vorgeschlagenen Kühlsystem, so daß jetzt eine bessere Zirkulation des Kühlmittels gegeben ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist, daß die Verteilerleitung, die Sammelleitung, die Überlaufleitung und andere zum Kühlsystem gehörende Leitungen als Kanäle in den Gestellrahmen der die zu kühlende Schaltungsanordnung trägt, mit einbezogen sind und daß demzufolge nur wenig Platz beansprucht wird.

Der Aufbau, die Wirkungsweise und weitere Vorzüge des erfindungsgemäßen Kühlsystems werden nachstehend in einem vorzugsweisen Anwendungsbeispiel zur Kühlung von Hochleistungs-Rechnern ausführlich anhand von zwei Prinzip-Zeichnungen (Fig.l und la) beschrieben. Die Prinzipzeichnungen stellen dar:

Fig.l eine schematische Abbildung des erfindungsgemäßen Kühlsystems, eingebaut in einen elektronischen Hochleistungsrechner oder dergl.;

Fig.la eine stark vergrößerte schematische Ansicht

eines Schnitts durch eine Kühlkammer, die einen Schaltungsträger mit darauf angeordneten zu kühlenden elektronischen Bauelementen umgibt.

Die Fig.l zeigt eine Anzahl von übereinander angeordneten, separaten Kühlkammern 16, die an ihren Vorderseiten jeweils mit einem Schaltungsträger 10 verbunden sind, der die zu kühlenden Objekte, in diesem Beispiel die zu Moduls 12 zusammengefaßte elektronischen Bauelemente trägt. Diese Moduls 12 sind jeweils auf der Rückseite einer mit gedruckten Lei-

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BAD ORIGINAL

tungsbahnen versehenen Schaltungstafel 14 angeordnet und sie ragen in den Hohlraum einer Kühlkammer 16, welche die Rückseite der Schaltungstafel 14 vollständig umschließt. Jedes M>dul 12 enthält als zu kühlende Objekte eine Anzahl HaIbleiterplättchen 18, die jeweils auf einem Wärmeableitstutzen 20 befestigt sind. In den Kühlkammern 16 ist, wie die Fig.la zeigt, jedem Modul 12 eine kleine Modul-Kühlkammer 22 zugeordnet, in deren Hohlraum jeweils die Wärmeableitstutzen 20 der Halbleiterbauelemente 18 einragen. Zu einem Modul 12 gehört somit, außer den zu kühlenden Bauelementen auch eine | zugeordnete Modul-Kühlkammer 22, die die Halbleiterelemente und die Wärmeableitstutzen 20 umgibt. Jede dieser Modul-Kühlkammern 22 ist auf der Unterseite mit einer Einlaßöffnung 24 und auf der Oberseite mit einer Auslaßöffnung 26 versehen, so daß die Kühlflüssigkeit durch die Modul-Kühlkammer 22 zirkulieren kann. Die Fig.la zeigt ausschnittsweise drei derartig übereinander angeordnete Module 12 mit ihren Modul-Kühlkammern 22, die sich wiederum in einer größeren Kühlkammer 16 befinden. Die Halbleiterelemente 18 sind Bestandteile der Schaltungsanordnung und sie sind die Wärmeerzeuger, deren charakteristischen Eigenschaften sehr von der Betriebstemperatur abhängig sind und die demzufolge auf einem konstanten Temperaturwert gehalten werden müssen und demzufolge " zu kühlen sind. Die in den kleinen Halbleiterelementen 18 erzeugte Wärme wird gleich abgeleitet und fließt in die mit den Halbleiterelementen 18 verbundenen Wärmeableitstutzen 20, deren freie Oberflächen vonder Kühlflüssigkeit umgeben sind, die auch an dieser Stelle zu sieden beginnt. An den Siedestellen der Wärmeableitstutzen 20, die die Kühlstellen darstellen, bilden sich kleine in der Kühlflüssigkeit aufsteigende Dampfbläschen, welche gemeinsam mit der heißen Kühlflüssigkeit über die Außlaßöffnung 26 die Modul-Kühlkammer 22 verlassen und in den hinteren Hohlraum der größeren Kühlkammer 16 eintreten. Sobald sich der durch die Halbleiterelemente 18 erzeugte Wärmefluß erhöht, beginnt an den Wärmeableitstutzen 20 die

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Kühlflüssigkeit stärker zu sieden, wodurch sich eine größere Verdampfung ergibt und damit auch eine stärkere Wärmeableitung, d.h. eine größere Kühlung stattfindet. Ein derartiges Kühlsystem mit einer siedenden Flüssigkeit an der zu kühlenden Stelle, weist somit einen selbstregelnden Effekt auf und kann die gewünschte zulässige Betriebstemperatur des wärmeerzeugenden Objektes möglichst konstant halten. Jede mit einer Schaltungstafel 14 verbundene Kühlkammer 16 ist in ihrem obersten Bereich mit einer Auslaßöffnung 28 versehen, von der eine Rücklauf-Rohrleitung 30 zu einem senkrecht angeordneten Sammelrohr 32 führt. Jede der Kühlkammern 16 ist an der unteren Seite mit einer Einlaßöffnung 34 -versehen, die über eine Vorlauf-Rohrleitung 36 mit einem Verteilerrohr 38 verbunden ist. Dieses Verteilerrohr 38 besteht aus einer senkrechten Hohlsäule, die als Kanal in die Konstruktion des Gestellrahmens mit einbezogen ist. An seinem oberen Ende ist das Verteilerrohr 38 durch eine Leitung 54 mit dem Vorlauf-Reservoir 40 verbunden, das die kalte Kühlflüssigkeit enthält und das auf der Oberseite des Rechengeräts angeordnet ist. Der Zirkulationskreis des flüssigen Kühlmittels enthält bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem noch ein Auffang-Reservoir für die zurückströmende erwärmte Kühlflüssigkeit im unteren Bodenteil des Rechengeräts. In diesem unteren Auffang-Reservoir 44 befindet sich eine Pumpe 42, die die warme in diesem Reservoir 44 befindliche Kühlflüssigkeit durch ein Kühlaggregat 46 wieder zu dem Vorlauf-Reservoir 40 hochpumpt. In diesem Kühlaggregat 46 wird die warme, zurückgeflossene Kühlflüssigkeit soweit auf einen vorbestimmten Temperaturwert abgekühlt, der unter dem Siedepunkt der Kühlflüssigkeit liegt, so daß diese wieder vom Vorrats-Reservoir 40 aus in den Zirkulationskreis einfließen kann. Die nach dem Passieren des Kühlaggregats 46 abgekühlte Rücklauf-Kühlflüssigkeit wird über eine Rohrleitung 48, die ebenfalls als eine senkrechte Hohlsäule in die Konstruktion eines Gestellrahmens mit einbezogen ist und über eine von der senkrechten Leitung48

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abzweigende Leitung 50 dem Vorlauf-Reservoir 40 wieder zugeführt. Die kalte Kühlflüssigkeit fließt durch die Einwirkung der Schwerkraft durch eine Auslaßöffnung 52 im-Bodenteil des Vorlauf-Reservoirs 40 und eine daran angeschlossene, ein Absperrventil aufweisende Rohrleitung 54 in das Verteilerrohr 38. Während und sobald sich das Verteilerrohr 38 mit der Kühlflüssigkeit gefüllt hat, strömt diese durch die Vorlauf-Verbindungsrohre 36 in die auf verschiedenen Höhen angeordneten Kühlkammern 16. Das Verteilerrohr 38 enthält im Bereich des unteren Endes ein Ventil 77, das zur Ableitung eines bestimmten Teiles der kalten Kühlflüssigkeit und im Bedarfsfälle zur Entleerung des Kühlsystems von der Kühlflüssigkeit vorgesehen ist. Das untere Ende des Verteilerrohrs 38 ragt in das Auffang-Reservoir 44 im Bodenteil des Rechners. Dieses Auffang-Reservoir 44 ist in seinem Fassungsvermögen so ausgelegt, daß es die gesamte Kühlflüssigkeit des Kühlsystems aufnehmen kann, so daß, wenn sich diese Kühlflüssigkeit im Auffang-Reservoir 44 befindet, dieses gerade gefüllt ist. Da die Schaltungsträger 10 und somit auch die Kühlkammern 16 in den Gestellrahmen des Rechners übereinander auf verschiedenen Höhen angeordnet sind, bestehen somit auch vertikale Abstandsdifferenzen zwischen den einzelnen Kühlkammern 16 und dem Vorlauf-Reservoir 40,aus dem die Kühlflüssigkeit in die Kühl- ^ kammern 16 einströmt. Durch die unterschiedlichen vertikalen Abstandsdifferenzen würden sich somit in den einzelnen Kühlkammern 16 ungleiche Flüssigkeitsdrücke, ungleiche Flüssigkeitsströme und demzufolge eine unterschiedliche Kühlung ergeben. Um zu verhindern, daß sich diese ungleichen Zustände in den einzelnen Kühlkammern 16 ergeben und zur Erzielung gleicher Durchflußmengen und gleicher Drücke in den Kühlkammern 16 sind in die Vorlauf-Rohrleitungen 36jeweils Raduzier-Stücke 56 eingesetzt. Diese Reduzierstücke 56 weisen den Rohrquerschnitt begrenzende Durchlaßöffnungen auf, die so ausgelegt baw. angepaßt sind, daß jede Kühlkammer 16 von der gleichen Kühlflüssigkeitsmenge durchströmt wird. Dies

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wird z.B. auf einfache Art dadurch erreicht, daß die Durchlaßöffnungen der Reduzierstücke 56 für die unteren Kühlkammern 16 einen kleineren Durchmesser aufweisen als die oberen. Durch die Einstellmoglichkeit der Menge der Kühlflüssigkeit, die jeweils eine Kühlkammer durchströmt, ist es auch möglich, die Kühlung an die jeweilige Wärmeerzeugung in einem Schaltungsträger anzupassen, so daß eine Kühlkammer, in der eine größere Wärmemenge erzeugt wird, auch von einem größeren Kühlflüssigkeitsstrom durchflossen wird. Im allgemeinen wird man jedoch bei der Eingangs-Einstellung der Kühlflüssigkeitsmenge für die einzelnen Kühlkammern 16 die Reduzierstücke 56 so wählen, daß in jeder Kühlkammer 16 jeweils der gleiche Flüssigkeitsdruck herrscht, womit sich auch gleiche Siedepunkte der Kühlflüssigkeit ergeben.

Die Rohrleitungen 30, welche die Rücklauf-Verbindung zwischen den Ausgangsöffnungen 28 der Kühlkammern 16 und dem Sammelrohr 32 bilden, weisen jeweils die gleiche Länge auf. Während in den als Rücklauf dienenden Rohren 30 sowohl die heiße Kühlflüssigkeit und auch die Dampfbläschen gemeinsam fließen, erfolgt im Sammelrohr 32 eine Aufteilung dieser beiden Rückflußströme. Wenn das aus den Rücklauf-Leitungen 30 kommende aus Dampfbläschen und heißer Kühlflüssigkeit bestehende (femisch in das Sammelrohr 38 einströmt, dann erfolgt eine Trennung dieses Gemisches derart, daß die Dampfbläschen in dem senkrecht angeordneten Sammelrohr 38 nach oben steigen und daß die heiße Kühlflüssigkeit in dem Sammelrohr 38 nach unten in das Auffangs-Reservoir 44 läuft, in das das untere offene Ende des Sammelrohres 38 einragt. Es ist leicht zu übersehen, daß durch die Anordnung des Sammelrohres 38 im Rücklaufteil des Zirkulationskreises für die Kühlflüssigkeit und durch die Aufspaltung des rücklaufenden Kühlmittels in einen Dampf- und in einen Flüssigkeitsstrom, in den Kühlkammern 16 nur ein sehr geringer Rückdruck entsteht. Dieser kleine, in den Kühlkammern 16 bestehende Rückdruck wird durch den Druckabfall gebildet,

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der entsteht, wenn das aus Dampfbläschen und Kühlflüssigkeit bestehende Kühlmittelgemisch durch die kurzen Rücklaufrohrleitungen 30 in das Sammelrohr 32 fließt. Wenn jedes dieser Rücklauf-Rohre 30 sehr kurz und in gleicher Länge ausgeführt wird, ergibt sich in den Kühlkammern 16 jeweils ein gleicher und sehr geringer Rückdruck. Das senkrechte Sammelrohr 32 ist ebenfalls wie das Verteilerrohr 38 und das Rücklaufrohr 48 als senkrecht angeordnete Hohlsäule ausgeführt und in den Gestellrahmen mit einbezogen. Die von dem rückfließenden Kühlmittelgemisch in das Sammelrohr 32 nach oben aufsteigenden Dampf- | bläschen gelangen zu einem mit Kühlrippen 62 versehenen Kühlapparat 60, wo sie kondensieren und als Kühlflüssigkeitströpfchen in einen Auffangsbehälter 66 fallen. Der Kühler 60 besteht aus einem mit Kühlrippen 62 versehenen Rohrsystem, das von einer zweiten Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Der Zirkulationskreis für diesen Kühler 60 ist von dem erfindungsgemäßen Kühlsystem getrennt und die zweite Kühlflüssigkeit wird von einem anderen nicht abgebildeten Vorratsbehälter geliefert. Jedoch zirkuliert auch diese zweite Kühlflüssigkeit durch das Kühlaggregat 46, wo sie ebenfalls abgekühlt wird und wieder in den Vorratsbehälter gepumpt wird. Auch dieser zweite Zirkulationskreis für den Kühler 60 besteht aus vertikal ange- * ordneten Rohrleitungen 64, die in die Konstruktion des Ge-Stellrahmens mit einbezogen sind. Das aus den Dampfbläschen im Kühler 60 gebildete Kondensat tropft auf die Bodenfläche eines Auffang-Behälters 66 und fließt durch ein damit verbundenes Abflußrohr 68 nach unten in das Auffang-Reservoir Der Behälter 66, in dem auch der Kühler 60 angeordnet ist, weist an seiner Bodenfläche außer der Einlaßöffnung für das Sammelrohr 32 noch eine weitere öffnung auf, die mit dem Ablaufrohr 68 für die Kondensationsflüssigkeit verbunden ist. Dieses Ablaufrohr 68, das auch zur Ableitung der aus dem Vorlauf-Reservoir 40 überlaufenden Kühlflüssigkeit dient, ist konstruktiv im Gestellrahmen zwischen dem Verteilerrohr 38 und dem Sammelrohr 32 so angeordnet, daß einerseits eine gemein-

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same Verbindungswand 70 zwischen dem Sammelrohr 32 und dem Abflußrohr 68 besteht. Andererseits ist auch eine Verbindungswand 72 zwischen dem Verteilerrohr 38 und dem Ablaufrohr 68 vorgesehen. Das Zirkulatxonssystem ist konstruktiv so gestaltet, daß eine größere Flüssigkeitsmenge zirkuliert als die Flüssigkeitsmenge, die infolge der Schwerkraft durch die öffnung 52 im Vorlauf-Reservoir 40 abfließt. Die Pumpenleistung für die zurückzuführende gekühlte Kühlflüssigkeit ist so eingestellt, daß das oben offene Vorlauf-Reservoir

^ die Tendenz hat, stetig überzulaufen. Diese kalte überlaufende Kühlflüssigkeit läuft in den Behälter 66, der unmittelbar benachbart dem Vorlauf-Reservoir 40 angeordnet ist. Diese übergelaufene kalte Kühlflüssigkeit läuft zusammen mit der Kondensationsflüssigkeit in dem senkrecht angeordneten Ablaufrohr 68 nach unten in das Auffang-Reservoir 44. Durch diese kalte Überlauf-Kühlflüssigkeit wird im Ablaufrohr 68 die gemeinsame Trennwand 70 zum Sammelrohr 32 gekühlt. Somit dient die Trennoder Zwischenwand 70 auch als Wärmetauscher oder als Kondensator für die in dem Sammelrohr 32 aufsteigenden Dampfbläschen. Der Wärmeaustausch kann durch zusätzliche, an der Zwischenwand 70 befestigte und in den Hohlraum des Sammelrohres 32 ragende Kühlrippen 72 noch erhöht werden. Die in dem Ablaufrohr 68

W nach unten fliessende Kühlflüssigkeit gelangt in das Auffang-Reservoir 44 und vermischt sich mit der aus dem Sammelrohr kommenden und in den Kühlkammern 16 erhitzten Kühlflüssigkeit. Die kältere, aus dem Ablaufrohr 68 in das Auffang-Reservoir einfließende Kühlflüssigkeit kühlt die vorstehend erwähnte heiße zurückfließende Kühlflüssigkeit, dadurch wird die Möglichkeit reduziert, daß die im Auffang-Reservoir 44 angeordnete Pumpe 42 im Hohlsog arbeitet bzw. daß Luftblasen im Leitungssystem umgewälzt werden.

Das Vorlauf-Reservoir 40 hat ein solch großes Fassungsvermögen für die Kühlflüssigkeit, daß bei einem Ausfall bzw. einer Betriebsstörung im Zirkulationssystem noch über eine

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bestimmte Zeit Kühlflüssigkeit durch die Kühlkammern 16 fließt. Diese Sicherheitszeit/ z.B. 30 Sekunden, ist ausreichend_r das zu kühlende elektrische Objekt abzuschalten, oder eine nicht dargestellte Hilfspumpe einzuschalten, damit die Zirkulation wieder in Gang gebracht wird.

über dem Kühler 60 ist ein, durch einen Ifotor angetriebenes Gebläse 76 angeordnet, dieses erzeugt eine Luftturbulenz und bewirkt damit, daß die in den Kühler 60 aufsteigenden Dampfbläschen die Kühlrippen 62 kontaktieren, wodurch der Kondensationsvorgang beschleunigt wird. Außerdem wird die Luftfeuchte im geschlossenen Behälter 66, in dem sich der Kühler 60 befindet, durch einen Luftfeuchte-Regler 78 konstant gehalten, so daß eventuelle Schwierigkeiten vermieden werden, die sich dadurch ergeben, daß die ümgebungsluft durch die Luftfeuchte gesättigt ist.

Es ist verständlich, daß das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel einer bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Kühlsystems sich nicht nur auf die Kühlung von Wärme erzeugenden Moduln, die auf Schaltungsträgern 10 angeordnet sind, beschränkt, sondern daß dieses erfindungsgemäße Kühlsystem auch zweckmäßig zur Kühlung anderer Wärme erzeugender ä Objekte geeignet ist.

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Claims

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Patentansprüche

Kühlsystem, insbesondere zur Kühlung von vorzugsweise übereinander in Kühlkammern angeordneten Objekteimit einer an der unteren Seite in die Kühlkammern einfließenden, an der Kühlstelle verdampfbaren und an der oberen Seite austretenden durch ein geschlossenes Zirkulationssystem strömenden Kühlflüssigkeit, das aus einem über den zu kühlenden Objekten angeordneten Vorlauf-Reservoir und den damit und mit den Kühlkammern verbundenen Vorlauf- und Rücklaufleitungen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Kühlkammern (16) ausgehenden Rücklaufleitungen (30) mit einem senkrecht angeordneten, an beiden Enden offenen Sammelrohr (32) verbunden sind, dessen unteres Ende in ein Auffang-Reservoir (44) und dessen oberes Ende in ein Kühlgefäß (66) mit einem darin angeordneten Kühler (60) mündet, und daß zur Kühlung und zur Rückführung der im Auffang-Reservoir angesammelten Kühlflüssigkeit in das Vorlauf-Reservoir (40) ein Kühl-Aggregat (46) und eine Pumpe (42) vorgesehen sind.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite einer Kühlkammer (16) aus einer Schaltungstafel (14) gebildet wird, die die in den Kammer-Hohlraum einragenden zu kühlenden Objekte trägt und daß diese von der Kühlflüssigkeit umgeben sind.
3. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden Objekte Wärme erzeugende elektronische Bauelemente (18) sind, daß diese Wärme-Leitstutzen (20) aufweisen, die die Kühlstellen bilden und daß mehrere Bauelemente zu einem Modul zusammengefaßt sind.

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4. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Moduls als kleine-Modul-Kühlkammern (12) gestaltet sind, die an ihrer Unterseite wenigstens eine Einlaßöffnung (24) und an ihrer Oberseite wenigstens eine Auslaß-Öffnung (26) für das Kühlmittel aufweisen und daß in einer Kühlkammer (16) mehrere übereinander angeordnete MDdul-Kühlkammern vorhanden sind.
5. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufleitung aus einem senkrechten Verteilerrohr

(38) einer das Vorlauf-Reservoir (40) mit dem Verteiler- " rohr verbundenen Anschlußleitung (54) und den von dem Verteilerrohr abzweigenden zu dem Einlaß der Kühlkammern

(16) führenden Rohrleitungen (36) besteht, daß das Verteilerrohr mit seinem unteren Ende in das Auffang-Reservoir (46) mündet, daß dieses Ende mit einem Absperrventil (77) versehen ist und daß ein weiteres Absperrventil hinter der Auslauf-öffnung (52) des Vorlauf-Reservoirs vorgesehen ist.
6. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kühlkammern (16) mit dem Verteilerrohr (38) verbindenden Rohrleitungen (36) Λ jeweils vom Verteilerrohr in einer Höhe abzweigen, die der Positionshöhe der zugeordneten Kühlkammer entspricht, daß die Kühlkammern in Abhängigkeit von ihrer Positionshöhe von der gleichen Flüssigkeitsmenge durchströmt werden und daß in den Vorlaufleitungen die Flüssigkeitsströme regulierende Mittel vorgesehen sind.
7. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Flüssigkeitsströme regulierenden Mittel aus verschieden große Bohrungen aufweisenden Reduzierscheiben (56) bestehen, die in die Rohrleitungen (36) eingesetzt sind.

Docket PO 969 058 109826/15 0'A

2 O 5 6 η 9 q
8. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (60) aus einem mit Kühlrippen (62) versehenen Rohrsystem (64) besteht, das von einer zweiten durch das Kühl-Aggregat (46) fließenden Kühlflüssigkeit gekühlt wird und daß zur Erzeugung einer Luftturbulenz an den Kühlrippen ein Gebläse (76) vorgesehen ist.
9. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlbehälter (66) neben dem Vorlauf-Reservoir (40) angeordnet ist, so daß die aus diesem überlaufende Kühlflüssigkeit in den Kühlbehälter läuft und daß der Kühlbehälter mit dem Auffang-Reservoir (44) durch ein Ablaufrohr (68) verbunden ist.
10. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlbehälter (66) geschlossen ist und daß die Luftfeuchte der eingeschlossenen Luft durch einen Luftfeuchteregler (78) geregelt wird.
11. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1, 5, 6, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechten Rohrleitungen (Verteilerrohr (38), Sammelrohr (32), Ablaufrohr (68) und die Rücklaufrohre (48,64) ) als Verbindungsteile in die Konstruktion der die zu kühlenden Schaltungsanordnung tragenden Gestellrahmen mit einbezogen sind.
12. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablaufrohr (68) zwischen dem Verteilerrohr (38) und dem Sammelrohr (32) getrennt durch gemeinsame Zwischenwände (72,70) angeordnet ist.
13. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1,11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr (32) mit in seinen Hohlraum ragenden Rippen (74) versehen ist.

Docket PO 969 058 1 0 9 8 2 6 / 1 5 0 A
14. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rücklaufleitungen (30) alle die gleiche Länge aufweisen.
15. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffang-Reservoir (44) ein Fassungsvermögen aufweist, das dem Volumen der gesamten im Kühlsystem zirkulierenden Kühlflüssigkeit entspricht.
16. Kühlsystem nach einem der Ansprüche l.oder 9, dadurch I gekennzeichnet, daß durch die im Auffang-Reservoir (44) angeordnete Pumpe (42) dem Vorlauf-Reservoir (40) soviel Kühlflüssigkeit zugeführt wird, daß dieses stetig überläuft.
17. Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit elektrisch isolierend ist und einen Siedepunkt aufweist, der unter der zulässigen Betriebstemperatur der zu kühlenden Objekte liegt.
18. Kühlsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, λ daß die Kühlflüssigkeit aus Fluor-Kohlenstoff besteht.

Docket PO 969 058 109826/1504

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