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Hintergrund
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung flüssigkeitsgekühlter Elektronik.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung flüssigkeitsgekühlter Elektronik.
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Kühlanordnungen und -systeme zur Kühlung statischer Blindleistungskompensator-Systeme (Static VAR Compensator, SVC) etc. durch Zirkulieren von flüssigem Kühlmittel sind allgemein bekannt. Bei diesen Anordnungen wird die Wärmeenergie durch einen Wärmetauscher vom Kühlmittel in die Luft oder in eine andere Flüssigkeit übertragen.
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Diese Kühlanordnungen sind üblicherweise kompliziert und weisen zahlreiche Anschlüsse und Dichtungen auf. Daher ist bei diesen Kühlanordnungen die Gefahr von Leckagen gegeben.
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Ein Problem dabei ist, dass die Leckage üblicherweise schwierig zu bemerken ist, bevor eine erhebliche Menge des Kühlmittels ausgelaufen und/oder das leckende Bauteil ernsthaft beschädigt ist. Zu diesem Zeitpunkt kann die Reparatur des Bauteils den Einsatz des zu kühlenden Systems behindern oder sogar die Außerbetriebnahme des Systems erfordern.
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Kurze Beschreibung
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Unter einem ersten Aspekt kann eine Anordnung zur Kühlung flüssigkeitsgekühlter Elektronik bereitgestellt werden, wobei die Anordnung ein Leitungssystem aufweist, wobei das Leitungssystem aufweist: aufnehmende und Ausgangs-Kühlmittelstromleitungen zur Verbindung der Anordnung mit einem Flüssigkeitskühlsystem der flüssigkeitsgekühlten Elektronik, Einlass- und Auslass-Kühlmittelstromleitungen zur Verbindung der Anordnung mit einer Wärmetauscheranordnung und einen mit den Kühlmittelstromleitungen verbundenen Ausdehnungsbehälter, wobei die Anordnung weiterhin aufweist: eine Kühlmittelstandserfassungseinheit (im Weiteren auch als Kühlmittelstandssender bezeichnet), die so eingerichtet ist, dass sie die Menge des Kühlmittels im Ausdehnungsbehälter erfasst, eine Temperaturmessanordnung, die für die Messung der Temperatur des Kühlmittels in der Anordnung eingerichtet ist, und ein Leckageüberwachungssystem aufweisend ein Rechenmittel zur Berechnung eines temperaturkorrigierten Referenzwerts für die Menge des Kühlmittels im Ausdehnungsbehälter und zur Berechnung eines temperaturkorrigierten Kühlmittelvolumens unter Verwendung des temperaturkorrigierten Referenzwerts.
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Unter einem weiteren Aspekt kann ein Verfahren zur Kühlung flüssigkeitsgekühlter Elektronik bereitgestellt werden, wobei das Verfahren aufweist: Aufnehmen eines Kühlmittelstroms aus dem Flüssigkeitskühlsystem der flüssigkeitsgekühlten Elektronik in einem Leitungssystem, Einleiten des Kühlmittelstroms in eine Wärmetauscheranordnung, Aufnehmen eines gekühlten Kühlmittelstroms aus der Wärmetauscheranordnung in dem Leitungssystem und Zurückleiten des gekühlten Kühlmittelstroms aus dem Leitungssystem in das Flüssigkeitskühlsystem der flüssigkeitsgekühlten Elektronik, wobei das Leitungssystem weiterhin einen das Kühlmittel enthaltenden Ausdehnungsbehälter aufweist, wobei das Verfahren weiterhin aufweist: Erfassen der Menge des Kühlmittels im Ausdehnungsbehälter, Messen der Temperatur des Kühlmittels in der Anordnung und Ausgleichen des Ergebnisses durch Berechnen der thermischen Ausdehnung des Kühlmittels in der Anordnung auf der Grundlage der Temperaturmessung.
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Die Anordnung und das Verfahren sind durch die Aussagen in den kennzeichnenden Abschnitten der unabhängigen Ansprüche gekennzeichnet. Einige weitere Ausführungsformen sind durch die Aussagen in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet. Erfindungsgemäße Ausführungsformen sind auch in der Beschreibung und den Zeichnungen dieser Patentanmeldung offenbart. Der erfinderische Inhalt der Patentanmeldung kann auch von der Definition in den folgenden Ansprüchen abweichend definiert sein. Der erfinderische Inhalt kann auch aus mehreren separaten Erfindungen zusammengesetzt sein, insbesondere wenn die Erfindung ausgehend von ausdrücklich oder stillschweigend inbegriffenen Teilaufgaben oder erhaltenen Vorteilen oder Gruppen von Vorteilen beleuchtet wird. Einige der in den folgenden Ansprüchen enthaltenen Definitionen können dann angesichts der separaten Erfindungsgedanken unnötig sein. Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können im Rahmen des grundlegenden Erfindungsgedankens auf andere Ausführungsformen übertragen werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Einige die vorliegende Offenbarung veranschaulichende Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigt:
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1 ein schematisches Flussdiagramm einer Beispielanordnung und
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2 eine schematische Perspektivansicht einer Beispielanordnung.
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In den Figuren sind einige Ausführungsformen der Übersichtlichkeit halber vereinfacht dargestellt. Ähnliche Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung
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1 ist ein schematisches Flussdiagramm einer Beispielanordnung, und 2 ist eine schematische Perspektivansicht einer Beispielanordnung. Die gezeigte Anordnung 100 ist mit einem Flüssigkeitskühlsystem einer flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 zur Kühlung der Elektronik 200 verbunden. Die flüssigkeitsgekühlte Elektronik 200 kann z. B. eine statische Blindleistungskompensator-Einheit (Static VAR Compensator, SVC) oder eine Hochspannungsgleichstrom-/Hochspannungswechselstrom-Einheit (High Voltage DC/High Voltage AC, HVDC/HVAC) oder ein Wechselstromantrieb, ein Elektromotor, ein Transformator, ein Generator, ein Wandler oder ein anderes flüssigkeitsgekühltes leistungselektrisches System sein.
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Die Anordnung 100 zirkuliert Kühlmittel zwischen der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 und einer Wärmetauscheranordnung 6. Für diesen Zweck weist die Anordnung 100 ein Leitungssystem 1 auf, das aufnehmende Kühlmittelstromleitungen 2 und Ausgangs-Kühlmittelstromleitungen 3 sowie einleitende Kühlmittelstromleitungen 4 und Rückführ-Kühlmittelstromleitungen 5 aufweist.
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Die aufnehmenden Kühlmittelstromleitungen 2 und Ausgangs-Kühlmittelstromleitungen 3 sind mit dem Flüssigkeitskühlsystem der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 verbunden, während die einleitenden Kühlmittelstromleitungen 4 und Rückführ-Kühlmittelstromleitungen 5 mit der Wärmetauscheranordnung 6 verbunden sind. Dadurch wird ein unter Druck stehender geschlossener Kühlkreislauf ausgebildet, der das Flüssigkeitskühlsystem der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200, die Anordnung 100 und die Wärmetauscheranordnung 6 aufweist.
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Das Kühlmittel kann z. B. Wasser, entionisiertes Wasser oder ein Wasser-Alkohol-Gemisch, wie z. B. ein Wasser-Glykol- oder Wasser-Ethanol-Gemisch, Salzwasser, flüssiges Salz, Öl oder ein anderes Wärmeübertragungsfluid sein.
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Die Wärmetauscheranordnung 6 kann einen oder mehrere Wärmetauscher aufweisen, in dem/denen die überschüssige Wärmeenergie des Kühlmittels in Flüssigkeit oder Luft übertragen wird und gekühltes Kühlmittel durch die Rückführ-Kühlmittelstromleitungen 5 in die Anordnung 100 zurückgeführt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmetauscheranordnung 6 in der Anordnung 100 enthalten, aber das ist nicht zwingend nötig.
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Die Anordnung kann wenigstens eine Pumpe 13 zur Förderung des Kühlmittels in der Anordnung 100 aufweisen. Die Art und das Funktionsprinzip der Pumpe sind an sich bekannt.
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Typischerweise kommt es aufgrund der sich ändernden Wärmebelastung in der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 zu erheblichen Schwankungen der Temperatur des Kühlmittels in der Anordnung 100. Daher weist die Anordnung 100 einen mit den Kühlmittelstromleitungen verbundenen Ausdehnungsbehälter 7 auf. Das Fassungsvermögen des Ausdehnungsbehälters 7 hängt z. B. vom Umgebungstemperaturbereich, vom Kühlmitteltemperaturbereich und vom Volumen des in der Anordnung 100, der Wärmetauscheranordnung und dem Flüssigkeitskühlsystem einer flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 zirkulierenden Kühlmittels ab. In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt das Fassungsvermögen 400 Liter. Der Ausdehnungsbehälter 7 kann unter oberhalb des Atmosphärendrucks liegendem Druck stehen.
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Eine Temperaturmessanordnung 9 ist so eingerichtet, dass sie die Temperatur des Kühlmittels in der Anordnung 100 misst. Die Temperaturmessanordnung 9 weist wenigstens eine Temperaturmesseinrichtung (im Weiteren auch als Temperatursender bezeichnet) auf. Die in 1 gezeigte Anordnung weist zwei Temperatursender 18a, 18b auf, von denen der erste 18a so eingerichtet ist, dass er die Temperatur des zu der Wärmetauscheranordnung 6 fließenden heißen Kühlmittels misst, während der zweite Temperatursender 18b so eingerichtet ist, dass er die Temperatur des zum Flüssigkeitskühlsystem der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 fließenden gekühlten Kühlmittels misst. Die Art und das Funktionsprinzip der Temperatursender sind an sich bekannt.
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Die Anordnung 100 weist weiterhin wenigstens einen Kühlmittelstandssender 8 auf, der so eingerichtet ist, dass er die Menge des Kühlmittels im Ausdehnungsbehälter 7 erfasst. Die Menge des Kühlmittels im Ausdehnungsbehälter 7 zeigt die Änderung des Kühlmittelvolumens im Kühlsystem an und kann z. B. aufgrund einer Leckage oder einer Temperaturänderung variieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlmittelstandssender 8 ein Schallsensor, insbesondere ein Ultraschallsensor. Alternativ weist der Kühlmittelstandssender 8 einen mechanischen Schwimmkörper, eine Laser- oder Lichtmessvorrichtung, einen photoelektrischen Sensor, einen Leitfähigkeitsmesser, einen Widerstandsmesser, ein induktives oder kapazitives Messgerät, ein Magnetometer oder ein Gewichtsmessmittel, das so eingerichtet ist, dass es den Ausdehnungsbehälter 7 wiegt, auf.
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Zur Erfassung möglicher Leckagen weist die Anordnung 100 ein Leckageüberwachungssystem 10 auf. Dieses weist ein Rechenmittel 11 und in bestimmten Ausführungsformen ein Alarmmittel 12 auf.
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Das Rechenmittel 11 kann jede bekannte Recheneinheit, z. B. einen Mikroprozessor, eine integrierte Schaltung, eine programmierbare logische Steuerung etc., aufweisen.
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Das Rechenmittel 11 ist so eingerichtet, d. h. programmiert, dass es einen temperaturkorrigierten Referenzwert V(REF) für die Menge des Kühlmittels im Ausdehnungsbehälter 7 berechnet, z. B. wie folgt: V(REF) = V(MEAS) + ((TT1 – TT(REF)) × V1 + (TT2 – TT(REF)) × V2) × C1 wobei
- V(REF)
- = Temperaturkorrigiertes Kühlmittelvolumen im Ausdehnungsbehälter 7,
- V(MEAS)
- = Gemessenes Kühlmittelvolumen im Ausdehnungsbehälter 7,
- TT1
- = Aktuelle Kühlmitteltemperatur, gemessen durch den ersten Temperatursender 18a,
- TT(REF)
- = Referenztemperatur,
- V1
- = Kühlsystemvolumen der heißen Seite des Kühlsystems,
- TT2
- = Aktuelle Kühlmitteltemperatur, gemessen durch den zweiten Temperatursender 18b,
- V2
- = Kühlsystemvolumen der kühlen Seite des Systems, einschließlich des Volumens des Kühlmittelreinigungsgeräts und des Volumens des Ausdehnungsbehälters 7,
- C1
- = Volumetrischer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Kühlmittels.
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Es sollte hervorgehoben werden, dass die obige Gleichung lediglich ein Beispiel für die verwendbaren Gleichungen ist. Wenn beispielsweise die Anordnung nur einen Temperatursender aufweist, wird die Temperatur nur durch diesen Temperatursender gemessen.
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An geeigneten Punkten der Wärmetauscheranordnung 6 und der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 können Grenzen B zwischen der heißen Seite und der kühlen Seite des Kühlsystems angeordnet sein. Nach einem Konzept befinden sich diese geeigneten Punkte in der Mitte des Volumens des in der Wärmetauscheranordnung 6 bzw. der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 enthaltenen Kühlsystems.
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Die Berechnung oder Messung des temperaturkorrigierten Referenzwerts V(REF) erfolgt mit einer bestimmten Frequenz. Auf der Grundlage dieser aufeinander folgenden Berechnungen oder Messungen kann das Leckageüberwachungssystem 10 beobachten, ob sich das Kühlmittelvolumen ändert. Die Verwendung des temperaturkorrigierten Referenzwerts V(REF) statt der direkten Verwendung des Kühlmittelstands im Ausdehnungsbehälter 7 ermöglicht eine Unterscheidung zwischen Schwankungen des Kühlmittelstands infolge einer Ausdehnung und Zusammenziehung des Kühlmittels im Zuge von Temperaturschwankungen und solchen, die auf Leckagen des Kühlmittelsystems zurückzuführen sind.
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Die Funktion des Alarmmittels 12 ist so eingerichtet, dass sie von dem temperaturkorrigierten Referenzwert V(REF) für die Menge des Kühlmittels abhängt. Das Alarmmittel 12 kann auf verschiedene, vom Ausmaß der Leckage abhängige Alarme programmiert sein. Beispielsweise wird ein großer Leckagealarm ausgelöst, wenn sich das temperaturkorrigierte Referenzvolumen des Kühlmittels über einen kurzen Zeitraum, wie z. B. in 20 Sekunden, gegenüber einem bestimmten vorgegebenen Wert ändert, während ein kleiner Leckagealarm ausgelöst wird, wenn sich das temperaturkorrigierte Referenzvolumen des Kühlmittels über einen langen Zeitraum, wie z. B. in einer Woche, gegenüber einem bestimmten vorgegebenen Wert ändert. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Alarme lediglich ein Beispiel für in der Anordnung 100 verwendbare Alarme sind; abhängig vom Bedarf der Anordnung 100 und/oder der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 kann/können auch nur ein Alarm oder mehr als zwei Alarme vorgesehen sein.
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Die Anordnung 100 kann zusätzlich einen oder mehrere Kühlmittelstandsanzeiger 20 und Kühlmittelhebelschalter 21 aufweisen. Diese Bauteile sind als Backup-Anzeiger für die aktuelle oder tatsächliche Menge an Kühlmittel eingerichtet.
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Wie bereits offenbart, kann die Anordnung 100 ein für die Reinigung des Kühlmittels eingerichtetes Reinigungsgerät 19, z. B. einen Ionenaustauscher, aufweisen. Das Reinigungsgerät 19 kann mit dem Leitungssystem 1 verbunden sein, um entsprechend der Darstellung in 1 einen von der Wärmetauscheranordnung 6 zum Ausdehnungsbehälter 7 fließenden Kühlmittel-Teilstrom zu reinigen. Es gibt auch andere Alternativen zur Verbindung des Reinigungsgeräts 19 mit dem Leitungssystem 1. Das Reinigungsgerät 19 kann z. B. ein Mischbettionenaustauscher, ein Filter, eine Umkehrosmoseeinheit oder ein anderes an sich bekanntes Reinigungsgerät sein.
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Die in den Figuren gezeigte Anordnung 100 weist weiterhin eine Pumpe 13 und einen die Pumpe betreibenden Motor 22 auf. Die Pumpe 13 ist so eingerichtet, dass sie das Kühlmittel in der Anordnung 100 und optional in der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 fördert. Die Pumpe 13 und der Motor 22 können jede geeignete Pumpe und jeder geeignete Motor sein, die an sich bekannt sind.
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Es kann auch eine für die Messung des Kühlmitteldrucks in dem Leitungssystem 1 angeordnete Druckmesseinheit 14 (im Weiteren auch als Drucksender 14 bezeichnet) vorgesehen sein. Der Drucksender 14 kann nicht nur zur Erfassung des Drucks des Leitungssystems 1 verwendet werden, sondern lässt sich auch mit Mitteln 15 zur Erfassung des Restgasgehalts des Kühlmittels im Leitungssystem 1 nutzen. Diese Mittel 15 können jede bekannte Recheneinheit, z. B. einen Mikroprozessor, eine integrierte Schaltung, eine programmierbare logische Steuerung etc., aufweisen. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel 15 in dem vorstehend beschriebenen Rechenmittel 11 integriert.
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Dem Mittel 15 zur Erfassung des Restgasgehalts des Kühlmittels werden Druckinformationen vom Drucksender 14 zugeführt. Das Komprimierungsverhalten des Kühlmittels variiert in Abhängigkeit vom Gasgehalt des Kühlmittels. Das Ziel bzw. Optimum ist, dass das Kühlmittel überhaupt kein Gas enthält. Wenn das Kühlmittel Gas aufweist, kann beim Anlaufen der Pumpe 13 eine leichte Komprimierung auftreten. Die Komprimierung des Kühlmittels kann durch den Drucksender 14 erfasst werden. Der Restgasgehalt wird dann auf der Grundlage des temperaturkorrigierten Kühlmittelvolumens im Ausdehnungsbehälter 7 und von Druckwerten bei laufender Pumpe 13 bzw. wenn die Pumpe angehalten ist, berechnet. Nach einem Konzept wird der Restgasgehalt V(GAS) wie folgt berechnet: V(GAS) = (P1/(P1 – P2)) × (V(REF, STOP) – V(REF, RUN)) – C wobei
- V(GAS)
- = Schätzung des Restgasvolumens im Leitungssystem bei Ausdehnungsbehälterdruck,
- P1
- = (Pumpendruck – Ausdehnungsbehälterdruck)/2 = durchschnittlicher Druckanstieg im Leitungssystem 1 bei laufender Pumpe 13,
- P2
- = absoluter Druck im Ausdehnungsbehälter 7,
- V(REF, STOP)
- = Temperaturkorrigiertes Kühlmittelvolumen im Ausdehnungsbehälter 7, wenn die Pumpe 13 angehalten ist,
- V(REF, RUN)
- = Temperaturkorrigiertes Kühlmittelvolumen im Ausdehnungsbehälter 7 bei laufender Pumpe 13,
- C
- = Elastizitätskonstante des Leitungssystems. Üblicherweise ist C gleich Null, d. h. die Elastizität des Leitungssystems 1 kann vernachlässigt werden, da der Druckanstieg typischerweise recht gering ist.
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Besonders nützlich ist das Mittel 15 zur Erfassung des Restgasgehalts des Kühlmittels in der Anlaufphase der Anordnung 100, da das Mittel 15 eine Möglichkeit eröffnet, den Zeitpunkt zu erfassen, zu dem das Leitungssystem 1 völlig gasfrei ist.
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Hier ist anzumerken, dass zwecks hoher Zuverlässigkeit wenigstens kritische Bauteile der Anordnung 100 doppelt vorgesehen sein können.
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Wie in 2 erkennbar ist, kann die Anordnung 100 ein unabhängiges Modul 16 sein, das eine Rahmenstruktur 17 aufweist, in der das Leitungssystem 1 und der Ausdehnungsbehälter 7 sowie weitere Bauteile der Anordnung 100 angebracht sind. Das Modul 16 lässt sich leicht transportieren und während seiner Installation leicht handhaben.
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Die Anordnung kann zur praktischen Umsetzung des folgenden Verfahrens verwendet werden:
- a) Aufnehmen eines Kühlmittelstroms aus dem Flüssigkeitskühlsystem einer flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200 in einem Leitungssystem 1,
- b) Einleiten eines Kühlmittelstroms in eine Wärmetauscheranordnung 6,
- c) Aufnehmen eines gekühlten Kühlmittelstroms aus der Wärmetauscheranordnung 6 in dem Leitungssystem 1, und
- d) Zurückleiten des gekühlten Kühlmittelstroms aus dem Leitungssystem 1 in das Flüssigkeitskühlsystem der flüssigkeitsgekühlten Elektronik 200, wobei das Leitungssystem 1 weiterhin einen das Kühlmittel enthaltenden Ausdehnungsbehälter 7 aufweist, wobei das Verfahren weiterhin aufweist:
- e) Erfassen der Menge des Kühlmittels im Ausdehnungsbehälter 7,
- f) Messen der Temperatur des Kühlmittels in der Anordnung (100) und
- g) Ausgleichen des Ergebnisses durch Berechnen der thermischen Ausdehnung des Kühlmittels in der Anordnung auf der Grundlage der Temperaturmessung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitungssystem
- 2
- aufnehmende Kühlmittelstromleitung
- 3
- Ausgangs-Kühlmittelstromleitung
- 4
- Einlass-Kühlmittelstromleitung
- 5
- Auslass-Kühlmittelstromleitung
- 6
- Wärmetauscheranordnung
- 7
- Ausdehnungsbehälter
- 8
- Kühlmittelstandssender
- 9
- Temperaturmessanordnung
- 10
- Leckageüberwachungssystem
- 11
- Rechenmittel
- 12
- Alarmmittel
- 13
- Pumpe
- 14
- Drucksender
- 15
- Mittel zur Erfassung des Restgasgehalts
- 16
- Modul
- 17
- Rahmenstruktur
- 18a, 18b
- Temperatursender
- 19
- Kühlmittelreinigungsgerät
- 20
- Kühlmittelstandsanzeiger
- 21
- Kühlmittelhebelschalter
- 22
- Motor
- 100
- Anordnung
- 200
- flüssigkeitsgekühlte Elektronik
- B
- Grenze zwischen heißer und kühler Seite
