DE1935125A1 - Verfahren und Anordnung zur Fluessigkeitskuehlung,insbesondere fuer elektronische Bauelemente - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Fluessigkeitskuehlung,insbesondere fuer elektronische Bauelemente

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Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Geselhchaft mbH
Böblingen, 19. Juni 196-9 mö-rz
Anmelderin: International Business Machines
Corporation,, Armonk, N;Y. IQ 504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: Docket PO 968 OI7.
Verfahren und Anordnung zur Flüssigkeitskühlung, insbesondere für elektronische Bauelemente -
Mit den zunehmenden -Miniaturisierungsbestrebungen auf dem Gebiet der elektronischen Festkörperschaltungen erwuchsen in gleicher Weise thermische Probleme. Dementsprechend wurden bereits die verschiedensten Kühlungsverfahren und Anordnungen in diesem Zusammenhang untersucht. Man kann heute sagen, daß die mit Luftkühlung arbeitenden Kühlanordnungen an Grenzen gestoßen sind, wo ihre Praktikabilität fraglich wird. Die Größe des zu einer wirksamen Kühlung erforderlichen Luftdurchsatzes bedingt bereits Gerauschprobleme, und ohne nennenswerte, zusätzliche Aufwendungen ist es heute unmöglich, eine äußerst große Anzahl von Bauelementen innerhalb ihres engen thermischen Toleranzbereiches zu halten. Insbesondere bei extrem miniaturisierten bzw. integrierten Schaltungen elektronischer Rechner wurden deshalb auch bereits die. verschiedenen Kombinationen von Luft/tlüssigkeitskühlsystemen ins Auge gefaßt.
Eine der neueren Entwicklung auf diesem Gebiet besteht in einer
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1S3512S
Flüssigkeitskühlungsanordnung, bei der die zu kühlenden Bauelemente vollständig in einen Behälter mit Kühlflüssigkeit eingetaucht sind. Als Kühlflüssigkeite%erden neue Kohlenstoff-Fluoride mit niedrigem Siedepunkt verwendet. Diese Flüssigkeiten weisen sowohl dielektrisches Verhalten als auch die verschiedensten Arten von Siedevorgängen bei relativ niedrigen Temperaturen auf.
Bei diesen letztgenannten Kühlungsano.rdnungen treten naturgemäß große Probleme auf, wenn man z.B. einzelne Bauelemente überprüfen oder auswechseln will. Entweder muß in einem solchen Fall die Flüssigkeit abgelassen werden oder die zu kühlenden Bauelemente müssen aus der Kühlflüssigkeit herausgehoben werden. Die Zugänglichkeit ist ferner dadurch kompliziert 3 daß die speziellen Kühlflüssigkeiten sehr flüchtig sind und auf keinen Fall verunreinigt werden dürfen. Beispielsweise absorbieren die oben genannten Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt äußerst stark Luft und müssen daher nach jedem Eingriff entgast werden. Weiterhin entstehen nicht unerhebliche Packungsproblemes da ja alle v/armeerzeugenden Bauelemente vollständig in. die Flüssigkeit eingetaucht werden müssen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues Verfahren und eine neue Anordnung zur Flüssigkeitskühlung, insbesondere fürelektronische Bauelementes anzugeben. Dabei soll es möglich sein, einzelne modulare Bausteine einer Gesamtschaltung separat aus dem Kühlkreis herausnehmen zu können3 ohne dabei zwangsläufig die Gesamtschaltung abschalten zu müssen.
Das erfindungsgemäße .Verfahren zur Flüssigkeitskühlung, insbesondere für elektronische Bauelemente ist dadurch gekennzeichnet, daß von einem, unter konstantem Druck stehenden Kessel die zu kühlenden Bauelemente mit einer einen relativ niedrigen Siede- . ρunkt aufweisenden Kühlflüssigkeit umgeben werden und daß die sieh örtliöhari: den -zu kühlenden heißen Oberflächen der Bauelemente, "' bildenden Siedebläschen zur Erhöhlang der Wärmeabfuhr benutzt wer-Docket PO. 968 017 90 9 ÖS 4/ISO 3
den. Die hier genannte Kühlflüssigkeit wird den Bauelementen lediglich zugeführt, es kommt also nicht zu einer dauernden Strömung dieser Kühlflüssigkeit durch das gesamte Kühlsystem. Gemäß: einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die sich örtlich an den zu kühlenden heißen Oberflächen der Bauelemente bildenden Siedebläschen zum Zwecke der Kondensation zu unmittelbar benachbarten gekühlten Oberflächenbereichen eines Wärmeaustausches abgelenkt werden, so daß örtlich begrenzte zusätzliche Konvektionsströme auftreten. Vo.rteilhafterweise. finden Kohlenstoff-Fluoride als Kühlflüssigkeit Verwendung.
Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen als Vorrats- und Ausgleichsgefäß dienenden Kessel, aus dem das gesamte Kühlsystem mit" der Kühlflüssigkeit versorgt wird, und durch mindestens einen mit dem Kessel in * Verbindung stehenden modularen Baustein, in dem die zu kühlenden Bauelemente, sowie jeweils ein Wärmeaustauscher untergebracht sind. In der Regel wird die Gesamtschaltung aus mehreren modularen Bausteinen zusammengesetzt sein, die nach der Erfindung einzeln und unabhängig voneinander gekühlt und leicht ausgewechselt werden können. Die Bauelementetemperatur".wird dabei konstant gehalten durch die konstante Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit. Um diese Siedetemperatur möglichst konstant zu halten, handelt es sich bei dem Kessel um einen .verschlossenen Kessel, in dem über der Flüssigkeit konstanter Gasdruck aufrechterhalten wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung sieht vor, daß zur Entgasung der Kühlflüssigkeit in den Kessel eine Heizspule eingesetzt ist. Eine solche Einrichtung 1st ' häufig bei Kühlflüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt nötig, weil diese Flüssigkeiten sehr stark Luft absorbieren. Vor jedem Inbetriebnehmen des Kühlsystems nach einem Eingriff, z.B. einer Reparatur, wird' daher über diese Heizspule die Kühlflüssigkeit zunächst entgast. Der so entstehende Überdruck entweicht über.an der-
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SADORIGINAL
Kesseldeeke vorgesehene Ventile. Wenn infolge eines Lecks im Kühlungssystem der Flüssigkeitsspiegel im Kessel und damit dessen Druck absinkt, erfolgt über einen mit dem Kessel in Verbindung stehenden Druckgasbehälter eine entsprechende Kompensation.
Schließlich sieht ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispdel vor3 daß die zu kühlenden Bauelemente innerhalb des, zugehörigen modularen Bausteines vertikal angeordnet sind. Dabei ist oberhalb eines jeden"Bauelements eine Ablenkvorrichtung derart angebracht, daß die auf der heißen Oberfläche des zugeordneten Bauelements infolge des örtlichen Siedeyorgangs entstehenden Dampfbläschen zur kühlen Oberfläche des Wärmeaustauschers hin gelenkt we-rden. Der Wärmeaustauscher weist zu diesem Zweck vorteilhafterweise an den den Ablenkvorrichtungen gegenüberliegenden Stellen Einbuchtungen zur Vergrößerung der Kondensationsflache auf.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert,
Fig. 1 stellt eine teilweise perspektivische schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Kühlungssy.stemes dar,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in.Fig. 1
Der in Fig. 1 dargestellte Kessel 11 enthält eine Kühlflüssigkeit 13· Bei dem Kessel 11 handelt es sich um einen dicht verschlösse- ' nen Behälter, in dessen Innern ein im wesentlich konstanter, von dem Druckgasbehälter 15 erzeugter, Druck vorherrscht. Der Druckgasbehälter steht mit dem Kessel über eine ein Ventil 19 aufweisende Rohrleitung 17 in Verbindung. Zur Steuerung des Ventils 19 befindet sich innerhalb des Kessels ein druckempfindliches Bauteil, Die im Kessel 11 befindliche Flüssigkeit 13 weist einen niedrigen Siedepunkt auf und kann z.B. ein Kohlenstoff-Fluorid sein. Diese letztgenannten Flüssigkeiten weisen sowohl dielektrisches Verhalten als auch bei Ätmosphärendruck einen niedrigen Siedepunkt auf.
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Der niedrige konstante Druck wird im Kessel .11 deshalb aufrechterhalten," um auch den Siedepunkt konstant bei einer bestimmten Temperatur zu halten, da sich andernfalls der Siedepunkt zwangsläufig mit einer Druckveränderung verschieben würde.
Die Flüssigkeit 13 absorbiert leicht Verunreinigungen, insbesondere Luft. Folgedessen ist es nötig, vor dem Ingangsetzen des Kühlsystems die überschüssige absorbierte Luft aus der Flüssigkeit 13 zu entfernen. Das wird bewerkstelligt durch eine in die Flüssig-, keit eingetauchte Heizspule 22. Wird durch die Heizspule 22 die Temperatur der Flüssigkeit 13 erhöht, verringert sich die Lüftlös-v lichkeit der Flüssigkeit und folgedessen wird die überschüssige Luft aus der Flüssigkeit ausgetrieben. Diese Luft kann über das am. Kesseldeckel angeordnete Überdruckventil 24 entweichen. Ist die Flüssigkeit 13 von der überschüssigen absorbierten Luft auf- diese Art gereinigt, wird über die Verbindung zum Druckgasbehälter der : gewünschte Druck für das Kühlsystem wiederhergestellt.~Am Kesseldeckel ist ferner·ein manuell zu betätigendes Ventil 26 vorgesehen, mit dem nötigenfalls andere als über das automatiseheVentil 24 bewirkte Drucke eingestellt werden können. ■ _ _. .
über die Rohrleitungen 28 und 32 ist der Kessel 11 mit einer entsprechenden Anzahl modularer Bausteine 30 verbunden. Auch diese Rohrleitungen 28 und 32 enthalten je ein Ventil 29 3 um den Flüssigkeitszufluß vom Kessel unterbrechen zu können. Die Rohrleitung 28 stellt eine Verbindung zwischen dem Boden des Kessels 11 und der Unterseite des; modularen Bausteins 30 her. Die Verbindung zwischen der Oberseite der modularen Bausteine 30,urddem Kesseldeekel wird über die Rohrleitung 32 hergestellt. Der Anschluß am Kessel 11 liegt dabei vorzugsweise über dem Flüssigkeitsspiegel. Durch diese Rohrleitungen wird der Kreislauf zwischen dein Kessel 11 und dem jeweiligen zu kühlenden modularen Baustein 30 geschlossen, über die Eingangsrohrleitung 28 wird die Flüssigkeit dem modularen Bau-. stein zugeführt; die sich in der Flüssigkeit bildende oder ent- * -
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haltende Luft kann über die Ausgangsrohrleitung 32 entweichen, d.h. letztlich über das Überdruckventil 24 im Kesseldeckel.
Auf diese V/eise steht der Kessel 11 mit allen modularen Bausteinen 30 in Verbindung und übernimmt die folgenden Aufgaben. Einmal "lie-·. ■fert er die Flüssigkeit an die modularen Bausteine. Zum anderen"' stellt er ein Überlaufgefäß für die einzelnen Bausteine dar. Wenn " irgendwo im Kühlsystem ein kleines Leck auftritt, kann der Flüssigkeitsverlust eine Weile über den Flüssigkeitsvorrat im Kessel 11 ausgeglichen werden, so daß die für die Funktion unbedingt not-" wendige Flüssigkeitsfüllung der modularen Bausteine trotzdem konstant bleibt. Wie bereits erwähnt, bestimmt der im Kessel herrschende Druck den Druck im' gesamten Kühlsystem. In ähnlicher Weise erfüllen die Entgasungsvorrichtung, nämlich die Heizspule 22, und das.Überdruckventil 24 im Kesseldeckel ihre Aufgabe an zentraler Stelle für alle einzelnen modularen Bausteine 30» Durch die separate Verbindung eines jeden modularen Bausteins 30 mit dem-Kessel · 11 wird der bedeutende Vorteil erzielt, daß jeder der modularen Bausteine ausgewechselt werden kann, ohne die Funktion der anderen Bausteine dabei zu beeinflussen. Es ist dazu lediglich erforderlich, die Ventile in den Leitungen 28 und 32 zu schließen. Der Kessel 11 ist gegenüber; den modularen Bausteinen 30 erhöht angeordnet, so daß die Flüssigkeit 13 infolge der Schwerkraft an die zu versorgenden Stellen fließt j Pumpen sind folglich nicht erforderlich. Natürlich können auch andere Anordnungen als in Fig. 1 gezeigt getroffen werden, jedoch bietet das System in jedem Fall eine große Flexibilität hinsichtlich der Packung der Kühlobjekte. Beispielsweise wird durch die zweidimensionale Anordnung der modularen Bausteine in Fig. 1 eine äußerst leichte Zugänglichkeit der einzelnen Bausteine erreicht.
.Die modularen Bausteine 30 bestehen aus einer Grundplatte 4O3 auf die die zu kühlenden Bauelemente 41 befestigt sind. Die Bauelemente 4l sind vertikal in Reihen und Spalten angeordnet. Diese vertikale Anordnung ist zur Erzielung des größten Kühleffekts, sehr wichtig.
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Während auf der einen nach innen gerichteten Seite der Grundplatte die zu kühlenden Bauelemente angebracht sind, trägt die gegenüberliegende Außenseite der Grundplatte 40 die Verdrahtung der Bauelemente 4l. Jeder der modularen Bausteine 30 weist weiter eine Kammer 42 auf, in die die Rohrleitungen 28 und 32 direkt einmünden. Auf diese Weise wird die Kammer 42 mit der vom Kessel 11 gelieferten Flüssigkeit 13 gefüllt. Diese Kammer-42 wird schließlich von der bereits beschriebenen Grundplatte 1^O, einer parallel dazu gegenüberliegenden Wand 45 sowie den Deck- und Grundflächen 46 bzw. 47 eingeschlossen. Innerhalb der Kammer 42 befindet sich ein Wärmeaustauscher 44. Er besteht aus einem gut wärmeleitenden Material und ist in jeder Kammer 42 vollständig in die Flüssigkeit 13 eingetaucht. Der Wärmeaustauscher 44 weist ferner Rippen 50 auf, die sich in Richtung auf die zu kühlenden Bauelemente 41 erstrecken. Durch diese Rippen 50 wird eine größere Oberfläche für den Wärme-. kontakt mit der Flüssigkeit 13 erreicht s wodurch die Wärmeableitung verbessert wird, über den Wärmeaustauscher 44 wird die abzuführende Wärme an das-separat zugeführte Kühlwasser weitergeleitet, . ." .
Gemäß Fig. 2 erstrecken sich die Rippen 50 des Wärmeaustauschers 44 bis in die unmittelbare Nähe der zu kühlenden Bauelemente 4l. '_ . Durch den Kühlwasserfluß im. Wärmeaustauscher werden die Rippen 50 auf einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeit 13 gehalten. Steigt die Temperatur der Bauelemente 41 an, wird die Flüssigkeit 13 in unmittelbarer Nahe der heißen Oberfläche der Bauelemente erhitzt, so daß sich innerhalb der Flüssigkeit 13 eine Konvektion ausbildet, überschreitet die Temperatur der Bauelemente die, Siedetemperatur der Flüssigkeit 13, setzen an kleinen Bereichen der heißen Oberfläche örtliche Siedevorgänge ein, d.h. es bilden sich auf der heißen Oberfläche in der Flüssigkeit Siedebläschen. Diese örtlichen Siedevorgänge haben zusätzliche Mikrokonvektionsströme zur Folge, durch die die Wärmeabfuhr weiter vergrößert wird. Im Einzelnen geschieht folgendes: Die Siedebläschen steigen auf und werden von den jeweils oberhalb eines jeden elek-Docket PO 968 017 909 8 84/15 03 ' ·'.
SAD ORIGINAL
tronisehen Bauelementes kl angebrachten Ablenkvoprichtungen 5k ...' abgefangen.. Diese ""Ablenkvorrichtungen 5k leiten die Siedebläschen in die unmittelbar angrenzenden Zwischenrippenbereiche des Wärmeaustauschers kk. Dort kondensieren die Dampfbläschen an den kühleren Rippen 50 des Wärmeaustauschers kk. Durch den Kondensationsvorgang der 'Dampfblasen wird in der Flüssigkeit 13 der erwärmte zusätzliche Konvektionsstrom verursacht. Die Ablenker 5k können beispielsweise aus Plastik bestehen; sie haben ferner die Aufgabe, ein Hochsteigen der Bläschen entlang der Oberfläche der oberhalb angeordneten Bauelemente zu verhindern. Durch diese hochsteigenden. Dampfbläschen würde sonst der Wärmetransport zwischen dem einzelnen Bauelement und der Kühlflüssigkeit 13 negativ beeinflußt.
Bei dem beschriebenen Kühlungsverfahren werden die wärmeerzeugenden Bauelemente 4l~ in einem konstanten Temperaturbereich gehalten. Steigt die Temperatur über den Siedepunkt der Flüssigkeit 13 an, beginnt ein örtlicher Siedevorgang, wodurch die Temperatur wieder abgesenkt wird, d.h. letztlich .konstant bleibt. Mit anderen Worten, wenn die Temperatur der Bauelemente,ansteigt, nehmen auch die örtlichen Siedevorgänge in ihrer Intensität zu, wodurch eine entsprechend zunehmende Kühlung .erfolgt. Nimmt die Temperatur eines Bauelementes weiter zu, wird auch der Siedevorgang; stärker, so daß dann die Wärmeabfuhr durch Verdampfung zunehmend wichtiger und überwiegender wird. . ' .
Das an Hand eines Ausführungsbeispiels beschriebene erfindungsgemäße Kühlsystem weist den bedeutenden Vorteil auf, daß man in der Anordnung der zu kühlen modularen Bausteine weitgehend frei.ist und daß man einzelne Bauteile leicht und ohne Auswirkung auf die anderen auswechseln kann.
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Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE-
    Verfahren zur Flüssigkeitskühlung, insbesondere für elektronische Bauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß von einem unter konstantem Druck stehenden Kessel (11.) die zu kühlenden Bauelemente (4l) mit einer einen relativ niedrigen Siedepunkt aufweisenden Kühlflüssigkeit (13) umgeben werden und daß die sich örtlich an den zu kühlenden heißen Oberflächen der Bauelemente (41) bildenden Siedebläschen zur Erhöhung der Wärmeabfuhr benutzt werden»
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich örtlich an den zu kühlenden heißen Oberflächen der Bauelemente (41) bildenden Siedebläschen zum Zwecke der Kondensation zu unmittelbar benachbarten gekühlten Oberflächenbereichen eines Wärmeaustauschers (44) abgelenkt werden, so daß örtlich begrenzte zusätzliche Konvektionsströme auftreten.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei stark erhöhter Temperatur der Bauelemente die Kühlwirkung vorwiegend als Verdampfungskühlung stattfindet.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3> gekennzeichnet durch Kohlenstoff-Fluorid als Kühlflüssigkeit (13).
  5. 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den· Ansprüchen 1 bis, 4, gekennzeichnet durch einen Kessel (11) als Vorr'ats- und Ausgleichsgefäß, aus dem das gesamte Kühlsystem mit der Kühlflüssigkeit (13) versorgt wird, und durch mindestens einen mit dem Kessel (11) in Verbindung stehenden modularen Baustein, in dem die zu kühlenden Bauelemente (4l) sowie je ein Wärmeaustauscher (44) untergebracht sind.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 5> gekennzeichnet durch eine in den Docket po 968 017 9 0 9 8 8 Λ / 1 6 0 3 .-."■':
    Kessel (11) eingesetzte Heizspule (22) zur Entgasung der Kühlflüssigkeit (13).
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 53 dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden "Bauelemente (41) innerhalb des zugehörigen modularen Bausteins (30) vertikal angeordnet sind und daß oberhalb eines jeden Bauelements (41) eine Ablenkvorrichtung (54.) derart angebracht ist, daß die auf der heißen Oberfläche des ^zugeordneten Bauelements (41) infolge des örtlichen SiedeVorgangs entstehenden Dampfbläschen zur kühlen Oberfläche (50) des Wärmeaustauschers.(44)"gelenkt werden. -
  8. 8. Anordnung, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (44) an den den Ablenkvorrichtungen (54) gegenüberliegenden Stellen Einbuchtungen aufweist.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch-.5.» dadurch gekennzeichnet, daß jeder " . der modularen Bausteine (30) über ein separates Leitungsnetz
    (28, 32) mit dem die Kühlflüssigkeit (13) enthaltenden Kessel ■ (11) in Verbindung steht.
    Docket PO 968 Ql7 90 98847 15 03
DE19691935125 1968-07-15 1969-07-10 Verfahren und Anordnung zur Fluessigkeitskuehlung,insbesondere fuer elektronische Bauelemente Pending DE1935125A1 (de)

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