-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Kühlen von zu kühlenden Gegenständen und insbesondere auf das Kühlen von elektronischen Bauteilen, wie sie z. B. in Rechnern vorkommen, die in Rechner-Racks angeordnet sind.
-
In Rechenzentren, aber auch in anderen Anwendungsgebieten werden zu kühlende Gegenstände, wie beispielsweise Computer, mit Lüftern gekühlt. Wenn die Kühlleistung durch Lüfter nicht ausreichend ist, oder wenn die Anbringung von Lüftern aus Gründen der Geräuscherzeugung oder anderen Gründen nicht akzeptabel ist, werden auch Flüssigkeitskühlungen eingesetzt.
-
Von seinen Eigenschaften als Kühlmittel wäre als Kühlflüssigkeit Wasser günstig. Wasser hat ferner den Vorteil, dass es leicht zu beherrschen ist, preisgünstig vorkommt und ansonsten unschädlich für die Umwelt ist.
-
Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung von Wasser als Kühlflüssigkeit zur Kühlung von Gegenständen und insbesondere von Gegenständen, die gegenüber Wasser anfällig sind, wie beispielsweise elektronische Bauteile, die durch Wasser kurzgeschlossen werden, ist die Problematik, wenn das Kühlsystem undicht wird. Dann tritt Wasser aus, und zwar mit typischerweise hohem Druck, da in den Kühlkreisläufen ein hoher Druck gefahren wird. Das austretende Wasser läuft dann unkontrolliert an dem zu kühlenden Gegenstand entlang, und wird, wenn es sich dort um elektronische Bauteile und insbesondere Computer handelt, zu Kurzschlüssen und schließlich zu einem Systemausfall führen. Aus diesem Grund wird Wasser in Flüssigkeitskühlsystemen von Rechenzentren bzw. allgemein gesagt von Rechnern in Rechner-Racks vermieden. Alternativ werden FCKW-haltige Flüssigkeiten eingesetzt. Sie haben zwar eine nicht so gute Kühlwirkung wie Wasser. Allerdings existieren keine Systemausfallgefahren, wenn FCKW-Flüssigkeiten austreten. Sobald sie nämlich austreten, verdampfen sie, und es besteht keine Gefahr des Kurzschlusses. Wenn die Verdampfung jedoch zu stark stattfindet, so kann es allerdings eine Problematik bezüglich eines Feueralarms geben, so dass eine Sprinkler-Anlage im Rechenzentrum in Betrieb gesetzt wird, was wiederum im Falle eines Fehlalarms, also wenn kein Brand, sondern nur ein undichtes Kühlsystem vorhanden ist, ungünstig wird. Die Verdampfung der FCKW-Flüssigkeiten bei Austritt aus dem Kühlsystem findet deswegen statt, weil die FCKW-Flüssigkeiten im Kühlsystem unter hohem Druck gehalten werden, der bezüglich der Siedetemperatur so gewählt ist, dass selbst bei den Temperaturen, die bei der Kühlung zu erwarten sind, keine Verdampfung auftritt. Tritt jedoch das Kühlmittel aus der unter hohem Druck stehenden Leitung aus und gelangt somit in die im Vergleich dazu auf niederem Druck stehende Atmosphäre, so findet aufgrund des niedrigen Drucks und der Temperatur der Kühlflüssigkeit die Verdampfung statt, die jedoch sicherstellt, dass keine Kurzschlüsse auf empfindlichen elektronischen Schaltungen stattfinden.
-
Neben der Tatsache, dass die Verrohrung für solche unter hohem Druck stehende Kühlsysteme teuer und aufwändig ist, ist auch im Falle eines Lecks die Umweltproblematik besonders gewichtig.
-
Die
WO 2010/049710 A1 offenbart ein elektronisches System, das ein elektronisches Gerät und einen Wärmetauscher zum Austauschen von Wärme mit dem Gerät aufweist. Der Wärmetauscher umfasst eine Leitung zum Aufnahmen von Fluid, wobei zumindest ein Abschnitt der Leitung in thermischer Kommunikation mit dem Gerät angeordnet ist. Das System umfasst ferner eine Einrichtung zum Reduzieren des Drucks des Fluids in dem Abschnitt der Leitung auf einen Wert, der kleiner als der äußere Druck ist, um eine Fluidleckage auf das Gerät im Falle einer schadhaften Leitung zu minimieren.
-
Die
WO 2008/006362 A1 offenbart ein Kühlgerät für Computer mit einer Kühlschaltung für ein Flüssigkühlmittel. Eine Drucksenke ist in der Kühlschaltung angeordnet, wodurch ein Arbeitsdruck in der Kühlschaltung erhalten wird, der kleiner als der Umgebungsdruck ist.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizientes und sicheres Kühlkonzept zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Kühlen gemäß Patentanspruch 1, ein Rechner-Rack gemäß Anspruch 10 oder ein Verfahren zum Kühlen gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
-
Bei der vorliegenden Erfindung wird im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem der Kühlkreislauf bei hohem Druck gefahren worden ist, ein niedriger Druck verwendet, der so niedrig ist, dass er unter dem Atmosphärendruck ist, in dem der zu kühlende Gegenstand angeordnet ist. Am Beispiel eines Rechner-Racks, in dem Rechner angeordnet sind, die in der normalen Atmosphäre sind, ist der Druck im Kühlsystem geringer als der Atmosphärendruck. Das Kühlsystem wird also mit Unterdruck betrieben, der von einem Unterdruckerzeuger, wie beispielsweise einer Evakuierungseinrichtung, erzeugt wird. Das unter geringerem Druck als die Atmosphäre stehende Kühlmittel, das vorzugsweise Wasser ist, wird durch eine Pumpe im Kühlkreislauf an dem zu kühlenden Gegenstand vorbei bewegt.
-
Wenn in dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ein Leck auftritt, so wird zunächst zumindest kein Kühlmittel austreten, sondern es wird Luft aus der Atmosphäre in das Kühlsystem eintreten. Damit kann ein Leck im Kühlsystem den zu kühlenden Gegenstand nicht bestätigen, sondern es wird lediglich die Kühlwirkung reduziert sein, weil Luft in der Kühlleitung weniger kühlt als das Kühlmittel. Wenn der Unterdruck nachlässt, wenn also der Druck in der Kühlleitung ansteigt, wird ein vorzugsweise vorhandener Detektor diesen Druckanstieg detektieren und eine Alarmmaßnahme einleiten, wie beispielsweise eine Benachrichtigung durch optische oder akustische Signale oder ein Aktivieren eines Not-Kühlkreislaufes oder ein Reduzieren der Verlustleistung des Rechnersystems beispielsweise durch Reduktion der Taktfrequenz der Rechner oder, im Extremfall, das komplette Heunterfahren eines zu kühlenden Rechners bzw. der in einem Rechner-Rack angeordneten zu kühlenden Rechner.
-
Vorzugsweise wird der Druck in dem Kühlsystem bei dem 0,8-fachen des Atmosphärendrucks oder bei einem kleineren Druck als dem 0,8-fachen des Atmosphärendrucks gehalten, in dem der zu kühlende Gegenstand angeordnet ist. Noch bevorzugter wird der Druck sogar bis auf das 0,5-fache des Atmosphärendrucks oder auf noch kleinere Drücke abgesenkt, die jedoch derart groß sein müssen, dass nicht bereits aufgrund der Wärme des zu kühlenden Gegenstands eine Verdampfung im Kühlkreislauf stattfindet. Insofern sollte der Unterdruck im Kühlkreislauf als Sicherheitsmaßnahme wenigstens 10 % höher sein als der „kritische Druck“, bei dem das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf im Betrieb verdampfen würde.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zum Kühlen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Direktkopplung zu einem Verdampfer einer Wärmepumpe; und
- 3 eine detailliertere Darstellung eines Verdampfers einer Wärmepumpe.
-
1 zeigt eine Vorrichtung zum Kühlen eines zu kühlenden Gegenstandes 10 in einer Atmosphäre mit einem Atmosphärendruck. Typischerweise wird der zu kühlende Gegenstand 10 in der normalen Atmosphäre stehen mit dem normalen Atmosphärendruck, obgleich die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auch in anderen Atmosphären mit anderen Atmosphärendrücken einsetzbar ist. Die Vorrichtung zum Kühlen umfasst eine Pumpe 12 zum Bewegen einer Kühlflüssigkeit in einer Kühlstrecke 13, die sich auf oder in oder unter dem zu kühlenden Gegenstand 10 zum Beispiel schlangenartig oder in anderer Art und Weise erstreckt, wie es in 1 schematisch angedeutet ist. Der zu kühlende Gegenstand kann beispielsweise eine Vorrichtung mit elektronischen Bauteilen sein. Diese Vorrichtung ist zum Beispiel ein Rechner in einem Rechner-Rack in einem Rechenzentrum, wo eine große Menge Verlustleistung anfällt, die abzuführen ist.
-
Das erfindungsgemäße System umfasst ferner einen Unterdruckerzeuger 14, der ausgebildet ist, um in der Kühlstrecke einen Druck zu erzeugen, der kleiner als der Atmosphärendruck ist. Vorzugsweise ist der Druck beispielsweise kleiner als das 0,8-fache bzw. sogar noch bevorzugter kleiner als das 0,5-fache des Atmosphärendrucks, in dem der zu kühlende Gegenstand 10 angeordnet ist. Der Kühlkreislauf umfasst bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ferner einen Druckdetektor 16, der ausgebildet ist, um einen Druckanstieg, der auftreten würde, wenn die Kühlstrecke 13 ein Leck hätte, auf irgendeine bekannte Art und Weise zu erfassen. Beispielsweise ist der Druckdetektor 16 ausgebildet, um zu überwachen, ob ein Ist-Druck in der Kühlstrecke von einem Soll-Druck in der Kühlstrecke bzw. im Kühlkreislauf abweicht, wobei der Soll-Druck kleiner als der Atmosphärendruck ist, und wobei ferner überwacht wird, ob der Ist-Druck von dem Soll-Druck um mehr als eine Schwelle abweicht. Alternativ oder zusätzlich kann der Druckdetektor auch überwachen, ob ein Druckanstieg in dem Kühlkreislauf schneller als ein zulässiger Druckanstieg stattfindet.
-
Der Druckdetektor 16 ist ferner ausgebildet, um einen Alarmerzeuger zu haben, wobei der Alarmerzeuger ausgebildet ist, um eine Alarmmaßnahme zu ergreifen, wie beispielsweise das Ausgeben eines optischen oder akustischen Signals, wie es bei 18a angedeutet ist. Eine alternative Alarmmaßnahme ist eine Einwirkung über eine Leitung 18b auf den zu kühlenden Gegenstand, die darin besteht, diesen Gegenstand so zu steuern, dass weniger Wärme erzeugt wird. Im Falle eines Rechenzentrums könnte die Einwirkung auf einen Rechner darin bestehen, dass die Taktfrequenz heruntergefahren wird, um die Verlustleistung zu reduzieren, oder das Rechnersystem sogar ganz heruntergefahren wird.
-
Eine alternative Alarmmaßnahme könnte die Aktivierung eines Backup-Kühlsystems, wie beispielsweise einem Flüssigkeits-Kühlsystem mit eigenem Kühlkreislauf oder ein Lüfter-Kühlsystem sein, oder eine Kombination all dieser Maßnahmen.
-
Das erfindungsgemäße Kühlkreislaufsystem umfasst bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ferner einen Wärmeableiter 20, der ausgebildet ist, um der warmen Kühlflüssigkeit, also der Kühlflüssigkeit, die Wärme von dem zu kühlenden Gegenstand trägt, diese Wärme zu entziehen, um aus der warmen Kühlflüssigkeit wieder eine kalte Kühlflüssigkeit zu machen, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Ausdrücke „warm“ und „kalt“ relativ zueinander zu verstehen sind, also dass „kalt“ bedeutet kälter als warm und „warm“ wärmer als kalt bedeutet.
-
Wie später noch dargelegt werden wird, können die Pumpe 12, der Unterdruckerzeuger 14 und der Wärmeableiter 20 in einer einzigen oder in zwei verschiedenen Komponenten implementiert sein, je nach spezieller Ausführungsform. So können der Wärmeableiter 20 und der Unterdruckerzeuger 14 gemeinsam als Verdampfer einer Wärmepumpe implementiert sein, wie sie in 2 schematisch angedeutet ist, wobei ferner 3 eine detailliertere Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines solchen Verdampfers bzw. des Anschlusses der Kühlstrecke bzw. des Kühlkreislaufes an diesen Verdampfer zeigt.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass der zu kühlende Gegenstand 10 vorzugsweise als Rechner in einem Rechner-Rack ausgebildet ist. Das Rechner-Rack umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel einen oder mehrere Rechner, die in dem Rack angebracht sind, und die in einer Atmosphäre mit einem Atmosphärendruck angeordnet sind. Ferner umfasst das Rechner-Rack einen Rohrabschnitt, der auch als Kühlstrecke 14 bezeichnet wird, der an dem Rechner-Rack oder dem einen oder mehreren Rechnern angebracht ist. Darüber hinaus ist die Pumpe 12 zum Bewegen einer Kühlflüssigkeit durch den Rohrabschnitt angeordnet. Ferner umfasst das Rechner-Rack auch einen Unterdruckerzeuger zum Erzeugen eines Drucks, der kleiner als der Atmosphärendruck ist.
-
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet, wobei die kalte Flüssigkeit Temperaturen zwischen 8°C und 20°C hat, und wobei die warme Flüssigkeit Temperaturen zwischen 13°C und 30°C hat. Der Verdampfer-Ablauf 20a in 2 trägt somit Wasser mit der kalten Temperatur, und der Verdampfer-Zulauf 20b trägt Wasser mit einer wannen Temperatur. Die zu kühlenden elektronischen Bauteile, wie beispielsweise ein Rechner in einem Rechner-Rack sind in 2 bei dem Bezugszeichen 10 gezeigt. Die Elemente 12, 16 sind in 2 ebenfalls nicht gezeigt. Allerdings ist in 2 dargestellt, dass ein Unterdruckerzeuger 14 von 1 und ein Wärmeableiter 20 von 1 zusammen als Verdampfer 22 ausgebildet sein können. Der Verdampfer 22 ist Teil einer Wärmepumpe, die ferner einen Verdichter 24 und einen Verflüssiger 26 sowie einen Wärmedissipator 28 umfasst, der mit dem Verflüssiger 26 über einen Dissipator-Zulauf 30a und einen Dissipator-Ablauf 30b gekoppelt ist. In einem geschlossenen System ist der Verflüssiger 26 über eine gestrichelte Verbindung 32 mit dem Verdampfer 22 gekoppelt. Es existieren jedoch auch offene Systeme, bei denen der Verdampfer die Arbeitsflüssigkeit zugeführt bekommt und der Verflüssiger die Arbeitsflüssigkeit aus dem System abgibt, es also kein im strengen Sinne geschlossenes System ist, da eine ständige Flüssigkeitszufuhr auf Verdampferseite stattfindet. Geschlossene Systeme werden jedoch aufgrund der einfacheren Wartbarkeit bevorzugt.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass die Wärmepumpe in 2 entweder ausschließlich zur Kühlung der zu kühlenden elektronischen Bauteile 10 ausgebildet sein kann, oder aber gleichzeitig als Klimaanlage des Raums dient, indem das Rechner-Rack angebildet ist. In diesem Fall umfasst der Verdampfer 22 weitere Zuläufe/Abläufe für eine Luftkühlung des Raums, in dem das Rechner-Rack angeordnet ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen muss das Rechner-Rack nicht unbedingt in demselben Raum stehen, der durch die in 2 gezeigte Wärmepumpe klimatisiert wird, da durch entsprechende Rohrleitungen ohne weiteres der Verdampfer 22 mehrfach genutzt werden kann, nämlich zum einen, um die elektronischen Bauteile 10 zu kühlen, und um zum anderen auch für eine Klimaanlage ausgebildet zu sein. In diesem Fall könnte ein Ventilator (in 2 nicht gezeigt) einen gekühlten Gegenstand 34 ventilieren, um die vom Ventilator erzeugte Luft durch Kontakt mit dem gekühlten Gegenstand 34 abzukühlen, um damit einen Raum zu klimatisieren. Der Verdampfer 22 hat somit mehrere Zuleitungen, nämlich zusätzlich zu den Verbindungen 20a, 20b auf die Verbindungen 35a, 35b.
-
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Verdampfer wie in 3 gezeigt ausgebildet. Der Warmverdampfer umfasst ein Verdampfergehäuse 40, in dem eine Arbeitsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, bis zu einer bestimmten Höhe enthalten ist, wie es bei 42 gezeigt ist. In dem Verdampfergehäuse 40 wird ferner ein Unterdruck gehalten, der derart niedrig ist, dass die Arbeitsflüssigkeit, die durch den warmen Zulauf 20b zugeführt wird, verdampft, wie es bei 44 gezeigt ist. Um die Verdampfungseffizienz zu erhöhen, läuft die warme Flüssigkeit über einen Zulauf 46, der zum Beispiel zentral in einem Verdampferkörper 48 angeordnet sein kann, auf den trichterförmigen Verdampferkörper 48 und läuft an den schrägen Oberflächen 50 herunter. Das nicht verdampfte heruntergelaufene Kühlmittel wird aufgesammelt und wird durch die Verdampfung 44 gekühlt und über den kalten Ablauf 20a abgeführt. Vorzugsweise sind der warme Ablauf und der kalte Ablauf direkt mit dem Verdampfer 40 gekoppelt, so dass der Verdampfer bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel die Funktionalitäten des Wärmeableiters 20 und des Unterdruckerzeugers 14 ausführt. Alternativ können auch Druckeinsteller oder Druckregler vorhanden sein, die sicherstellen, dass der Druck in den Leitungen 20a, 20b etwas höher ist als der Druck in dem Verdampfungsraum des Verdampfergehäuses 40, in dem die Verdampfung 44 stattfindet, wobei allerdings der Unterdruck in dem Kühlkreislauf nicht unbedingt extra erzeugt werden muss, sondern durch den Unterdruck im Verdampfungsraum geliefert wird. Der Verdampfer bzw. der Kompressor/Verdichter wirkt somit gleichermaßen auch als Unterdruckerzeuger für den Kühlkreislauf. Der erzeugte Dampf wird ständig über eine Dampfabzugsleitung 54 zum Komprimierer abgezogen, wo er verdichtet wird und in einem Verflüssiger, der in 2 bei 26 gezeigt ist, verflüssigt wird.
-
Die Verdichtung findet derart statt, dass im Verflüssiger eine „warme“ Temperatur von z. B. 60°C (bzw. in einem Bereich von 40°C-80°C) gehalten wird. Diese Temperatur ist geeignet für einen z. B. an einem Dach angeordneten Dissipator 28, der sogar in wärmeren Ländern, wo schon Außentemperaturen um die 40°C herrschen, immer noch eine ausreichende Wärmeabfuhr schafft.
-
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verläuft die Kühlstrecke 14 in direktem Kontakt zu dem zu kühlenden Gegenstand, wie beispielsweise auf einer Platine, unter einer Platine oder innerhalb einer Platine, auf der Wärme erzeugenden elektronische Bauteile angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich verläuft die Kühlstrecke in Form eines Kühlflüssigkeits-durchströmten Rohres auch entlang des Kühlkörpers oder umspült sogar den Kühlkörper eines Bauelements, oder verläuft durch spezielle Kühlkanäle innerhalb eines Computer-Racks in einem Rechenzentrum.
-
Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungselemente beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Beschreibung gleichermaßen als Beschreibung von Schritten eines Verfahrens zum Kühlen anzusehen ist. So stellt beispielsweise das in 1 gezeigte Blockschaltbild gleichermaßen ein Flussdiagramm eines entsprechend erfindungsgemäßen Verfahrens dar, was insbesondere auch für die Blockschaltbilder der 2 und 3 gilt.
