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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Aktive elektronische Bauelemente erzeugen bekanntlich Wärme. Diese Wärme muss abgeführt werden, um die Temperatur der Sperrschicht von Bauteilen innerhalb wünschenswerter Grenzen zu halten, denn wenn es nicht gelingt, die Wärme wirksam abzuführen, steigt die Temperatur der Bauelemente an, und es kann zu unkontrollierbaren thermischen Zuständen kommen. Mehreren Entwicklungsrichtungen in der Elektronikindustrie ist gemeinsam, dass das Wärmemanagement an Bedeutung gewonnen hat, z.B. die Wärmeabfuhr bei elektronischen Komponenten, darunter auch für Technologien, bei denen Temperaturprobleme bisher kaum eine Rolle spielten, beispielsweise die CMOS-Technologie. Insbesondere hat der Bedarf an schnelleren und dichter gepackten Schaltkreisen einen direkten Einfluss auf die Bedeutung des Temperaturmanagements genommen. Erstens nehmen die Verlustleistung und damit die Wärmeerzeugung mit höheren Arbeitsfrequenzen der Bauelemente zu. Zweitens sind bei niedrigeren Sperrschichttemperaturen der Bauelemente höhere Arbeitsfrequenzen möglich. Da immer mehr Bauelemente oder Komponenten auf einem einzigen Chip integriert werden, nimmt der Wärmefluss (Watt/cm2) zu, sodass von einem Chip oder Modul einer bestimmten Größe mehr Wärme abgeführt werden muss. Diese Trends haben in Summe zur Entwicklung von Anwendungen geführt, bei denen es nicht mehr wünschenswert ist, die Wärme von modernen Bauelementen allein durch herkömmliche Luftkühlverfahren abzuführen, beispielsweise durch Verwendung luftgekühlter Kühlkörper mit Wärmeleitrohren oder Dampfkammern. Solche Luftkühltechniken sind von Natur aus nur beschränkt in der Lage, Wärme von einem elektronischen Bauelement mit hoher Leistungsdichte abzuführen.
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Aufgrund der Notwendigkeit, aktuelle und zukünftige hohe Wärmelasten und elektronische Bauelemente mit hohem Wärmefluss zu kühlen, ist daher die Entwicklung eines offensiven Wärmemanagements erforderlich, das zum Beispiel eine Flüssigkeitskühlung verwendet.
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Die US 2015 / 0 109 729 A1 offenbart gekühlte elektronische Systeme und Kühlverfahren, wobei eine vor Ort austauschbare Bank elektronischer Komponenten durch eine Vorrichtung gekühlt wird, die ein Gehäuse umfasst, das die elektronischen Komponenten zumindest teilweise umgibt und ein Fach bildet, ein in das Fach eingelassenes Fluid und ein mit dem elektronischen System verbundener Kühlkörper. Die vor Ort austauschbare Bank erstreckt sich teilweise durch das Gehäuse, um ein operatives Ankoppeln der elektronischen Komponenten in beispielsweise eine oder mehrere entsprechende Aufnahmebuchsen des elektronischen Systems zu erleichtern. Die elektronischen Komponenten der vor Ort austauschbaren Bank sind zumindest teilweise in das Fluid eingetaucht, um das Tauchkühlen der Komponenten zu erleichtern.
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Die
DE 10 2013 217 615 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Dampfkondensators, der eine dreidimensional gefalzte Struktur aufweist, die mindestens zum Teil einen Satz kühlflüssigkeitsführenden Kanäle und einen Satz dampfkondensierender Kanäle definiert, wobei die kühlflüssigkeitsführenden Kanäle mit den dampfkondensierenden Kanälen verschachtelt sind und parallel dazu verlaufen. Die gefalzte Struktur weist ein Wärmeleitblech mit Mehrfachfalzen im Blech auf. Eine Seite des Blechs ist eine dampfkondensierende Oberfläche, und die Gegenseite des Blechs ist eine kühlflüssigkeitsgekühlte Oberfläche, wobei mindestens ein Teil der kühlflüssigkeitsgekühlten Oberfläche die kühlflüssigkeitsführenden Kanäle definiert und mit Kühlflüssigkeit in den kühlflüssigkeitsführenden Kanälen in Kontakt ist. Der Dampfkondensator weist in einer Ausführungsform außerdem eine Abdeckplatte und ein erstes und ein zweites Endsammelrohr auf, die mit entgegengesetzten Enden der gefalzten Struktur verbunden sind und mit den kühlflüssigkeitsführenden Kanälen in Fluidverbindung sind, um den Kühlflüssigkeitsfluss durch die kühlflüssigkeitsführenden Kanäle zu ermöglichen.
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Die
EP 2 271 971 B1 offenbart ein Flüssigkeits-Tauchkühlungssystem, das zur parallelen Kühlung einer Anzahl von elektronischen Geräten geeignet ist, wobei mehrere Gehäuse verwendet werden, die mit einem Gestellsystem verbunden sind. Das System kühlt wärmeerzeugende Komponenten in Servercomputern und anderen Geräten, die elektronische, wärmeerzeugende Komponenten verwenden und in parallelen Systemen miteinander verbunden sind. Das System umfasst ein Gehäuse mit einem Innenraum, einer dielektrischen Kühlflüssigkeit in dem Innenraum sowie eine wärmeerzeugende elektronische Komponente, die innerhalb des Innenraums angeordnet und in die dielektrische Kühlflüssigkeit eingetaucht ist. Das Gestellsystem enthält ein Verteilersystem zum Anschließen und Ermöglichen einer Flüssigkeitsübertragung für mehrere Gehäuse sowie 10 Anschlüsse für den elektrischen Anschluss von mehreren Gehäusen / elektronischen Geräten. Das Gestellsystem kann an ein Pumpensystem angeschlossen werden, um die Flüssigkeit in das Gestell hinein und aus diesem heraus sowie hin zu und weg von externen Wärmetauschern, Wärmepumpen oder anderen Wärmeableitungs- / Rückgewinnungsvorrichtungen zu pumpen.
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Die US 2014 / 0 216 686 A1 offenbart einen Tauchkühltank, umfassend: einen Tank, der aus einer Basiswand und Umfangswänden besteht und ein unteres Tankvolumen aufweist, in dem eine Flüssigkeit gehalten und auf einen Siedepunkt erhitzt werden kann, um eine aufsteigende Dampfwolke zu erzeugen; eine Gestellstruktur innerhalb des Tankvolumens, die das Einfügen mehrerer wärmeableitender elektronischer Geräte in einer vertikal benachbarten Anordnung unterstützt; und einen Kondensator, der als eine Vielzahl von einzeln drehbaren Kondensatoruntereinheiten konfiguriert ist, wobei sich jede Kondensatoruntereinheit über einem vertikalen Raum befindet, der sich vertikal vom unteren Tankvolumen erstreckt und in den eine elektronische Vorrichtung eingesetzt werden kann.
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KURZDARSTELLUNG
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Durch Bereitstellen einer Kühlvorrichtung gemäß einem Aspekt, die ein Gehäuse, eine dielektrische Flüssigkeit und einen schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper enthält, werden die Nachteile nach dem Stand der Technik beseitigt und weitere Vorteile erzielt. Das Gehäuse ist so bemessen, dass es in einen Elektronik-Einschubschrank (electronics rack) passt, und enthält ein Fach, das ein oder mehrere zu kühlende Komponenten aufnimmt. Die dielektrische Flüssigkeit befindet sich in dem Fach und enthält ein flüssiges Dielektrikum, in das das eine oder die mehreren zu kühlenden elektronischen Bauelemente zumindest teilweise eintauchen. Der schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper ist innerhalb des Fachs des Gehäuses angeordnet und bewirkt eine aktive Kühlung der einen oder der mehreren elektronischen Bauelemente mittels der dielektrischen Flüssigkeit innerhalb des Fachs. Der schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper ist zwischen einer Arbeitsstellung, in der das eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente abgedeckt sind, und einer Wartungsstellung drehbar, in der ein Zugriff auf das eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente innerhalb des Fachs möglich ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird ein gekühlter Elektronik-Einschubschrank bereitgestellt, der ein Einschubgestell enthält, das eine Mehrzahl zu kühlender elektronischer Systeme und eine Kühlvorrichtung aufweist. Die Kühlvorrichtung enthält: eine Mehrzahl Einschubgehäuse, die so bemessen sind, dass sie in das Einschubgestell passen, wobei jedes Einschubgehäuse ein Fach aufweist, das ein entsprechendes Elektroniksystem aus der Mehrzahl Elektroniksysteme aufnimmt; eine dielektrische Flüssigkeit innerhalb jedes Fachs, wobei die dielektrische Flüssigkeit ein flüssiges Dielektrikum aufweist, in das das entsprechende Elektroniksystem innerhalb des Fachs zumindest teilweise eintaucht; und mindestens einen schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper, der mindestens einem Einschubgehäuse aus der Mehrzahl Einschubgehäuse zugehörig ist, wobei jeder schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper innerhalb des Fachs eines entsprechenden Einschubgehäuses des mindestens einen Einschubgehäuses angeordnet ist und im Betriebszustand ein Kühlen des entsprechenden Elektroniksystems mittels der dielektrischen Flüssigkeit innerhalb des Fachs ermöglicht, wobei jeder schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper zwischen einer Arbeitsstellung, in der das entsprechende Elektroniksystem innerhalb des Fachs abgedeckt ist, und einer Wartungsstellung drehbar ist, in der ein Zugriff auf das Elektroniksystem innerhalb des Fachs möglich ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung eine Mehrzahl schwenkbarer flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper auf, wobei es sich bei dem mindestens einen schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper um mindestens einen schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper aus der Mehrzahl schwenkbarer flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper handelt und jedem schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper ein entsprechendes Einschubgehäuse aus der Mehrzahl Einschubgehäuse zugehörig ist und wobei jeder schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper zwischen der Arbeitsstellung, in der das entsprechende Elektroniksystem innerhalb des Fachs abgedeckt ist, und der Wartungsstellung drehbar ist, in der ein Zugriff auf das entsprechende Elektroniksystem innerhalb des Fachs möglich ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das gekühlte Einschubgestell ferner entsprechende Anschlüsse für den Flüssigkeitszufluss und -rückfluss auf, die jedem Einschubgehäuse zugehörig sind, wobei die Kühlvorrichtung ferner flexible Flüssigkeitszuflussschläuche und flexible Flüssigkeitsrückflussschläuche aufweist, die innerhalb der Fächer der Mehrzahl Einschubgehäuse angeordnet sind, und wobei innerhalb des Fachs jedes Einschubgehäuses ein entsprechender flexibler Flüssigkeitszuflussschlauch und ein entsprechender Flüssigkeitsrückflussschlauch den zugehörigen schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper fluidmäßig mit den entsprechenden Anschlüssen für Flüssigkeitszufluss und Flüssigkeitsrückfluss verbinden, die diesem Einschubgehäuse zugehörig sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen der flexible Flüssigkeitszuflussschlauch und der flexible Flüssigkeitsrückflussschlauch innerhalb des Fachs jedes Einschubgehäuses aus der Mehrzahl Einschubgehäuse eine entsprechende Länge auf, die ein Drehen des zugehörigen schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers zwischen der Arbeitsstellung und der Wartungsstellung zulässt, wobei der Kühlkörper dabei mit dem entsprechenden Flüssigkeitszuflussanschluss und Flüssigkeitsrückflussanschluss verbunden bleibt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist jeder schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper waagerecht ausgerichtet und in einem oberen Bereich des zugehörigen Fachs angeordnet, wenn sich dieser in der Arbeitsstellung befindet, und senkrecht ausgerichtet und erstreckt sich von dem Fach weg, wenn er sich in der Wartungsstellung befindet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der mindestens eine schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper mindestens eine Dampfkondensationsfläche auf, und die dielektrische Flüssigkeit stellt eine Zweiphasenkühlung des entsprechenden Elektroniksystems innerhalb des Fachs des entsprechenden Einschubgehäuses bereit, wobei jeder mindestens eine schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper mit der mindestens einen Dampfkondensationsfläche in einem oberen Bereich des Fachs des entsprechenden Einschubgehäuses des mindestens einen Einschubgehäuses angeordnet ist, wobei der obere Bereich des Fachs einen Dampfbereich der dielektrischen Flüssigkeit aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform taucht jeder mindestens eine schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper in das flüssige Dielektrikum innerhalb des Fachs des entsprechenden Einschubgehäuses des mindestens einen Einschubgehäuses ein, sodass das flüssige Dielektrikum eine Einphasentauchkühlung mit natürlicher Konvektion für das Elektroniksystem innerhalb des Fachs bereitstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform füllt das flüssige Dielektrikum einen Großteil des Fachs aus, und jeder mindestens eine schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper ist in einem oberen Bereich des entsprechenden Fachs angeordnet.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Weitere Merkmale und Vorteile werden durch die Techniken der vorliegenden Erfindung umgesetzt. Andere Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung werden hierin ausführlich beschrieben und als Bestandteil der beanspruchten Erfindung angesehen.
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Figurenliste
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Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klar, wobei:
- 1A eine Seitenansicht eines flüssigkeitsgekühlten Elektronik-Einschubschranks mit Einschubtauchkühlung von elektronischen Bauelementen und/oder Systemen zeigt;
- 1B eine seitliche Querschnittsansicht eines tauchgekühlten Elektroniksystems des flüssigkeitsgekühlten Einschubgestells von 1A zeigt;
- 2A eine schematische Darstellung eines flüssigkeitsgekühlten Elektronik-Einschubschranks mit Einschubtauchkühlung von elektronischen Bauelementen und/oder deren Systemen und ein Einschubgehäuse zeigt, das mit einem Zufluss- und -rückflussmittel zum Warten verbunden ist;
- 2B eine schematische Darstellung eine modulare Kühleinheit für einen flüssigkeitsgekühlten Elektronik-Einschubschrank in 2A zeigt;
- 2C den flüssigkeitsgekühlten Elektronik-Einschubschrank von 2A zeigt, bei dem ein Einschubgehäuse aus dem Elektronik-Einschubschrank entfernt und der zugehörige flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper in eine Wartungsstellung gedreht gezeigt ist, um einen Zugriff auf ein oder mehrere elektronische Bauelemente innerhalb des Einschubgehäuses zu ermöglichen;
- 3A eine Draufsicht eines tauchgekühlten Elektroniksystems in einem Einschub eines flüssigkeitsgekühlten Elektronik-Einschubschranks in den 2A bis 2C ist, bei dem der flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper in einer Arbeitsstellung gezeigt ist;
- 3B eine seitliche Querschnittsansicht des tauchgekühlten Elektroniksystems in einem Einschub von 3A entlang der Schnittlinie 3B-3B ist;
- 3C eine seitliche Querschnittsansicht eines tauchgekühlten Elektroniksystems in einem Einschub ist, bei dem die Zweiphasentauchkühlung der 3A bis 3B durch eine Einphasentauchkühlung mit natürlicher Konvektion ersetzt worden ist; und
- 4 eine Seitenansicht des gekühlten Elektroniksystems in einem Einschub der 3A bis 3C ist, das ein Drehen des schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers zwischen einer Arbeitsstellung, in der das eine oder die mehreren tauchgekühlten elektronischen Bauelemente abgedeckt sind, und einer Wartungsstellung erlaubt, die einen Zugriff auf das eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente ermöglicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bei einer herkömmlichen Doppelbodenaufstellung in einem luftgekühlten Datenzentrum können mehrere Einschubschränke in einer oder mehreren Reihen angeordnet sein. Üblicherweise können in der Technik die Begriffe „Einschubschrank“, „Rack“, „Datenverarbeitungs- (IT-) Rack“ usw. austauschbar verwendet werden, solange keine andere Bezeichnung verwendet wird, darunter Gehäuse, Rahmen, Halterung, Struktur, Fach usw., die Wärme erzeugende Bauelemente eines Computersystems, eines Elektroniksystems, eines IT-Systems usw. enthalten. In einer Computeranlage können mehrere hundert oder sogar mehrere tausend Mikroprozessoren untergebracht sein. Gemäß einer oder mehreren Implementierungen kann ein Computersystem mehrere Einschub-Server enthalten, wobei das Rack in einem Schrank untergebracht ist, der mehrere Einbauöffnungen (mounting slots) mit der Bezeichnung Einbauschacht (bay) enthält, die jeweils zum Aufnehmen eines Einschubs gestaltet sind, in den die Elektronikhardware eingebaut ist, die zum Beispiel einen entsprechenden Serverknoten aufweist. Bei einer typischen Rack-Ausführung werden mehrere Einschübe verwendet, die waagerecht übereinander gestapelt sind.
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Bei einer Implementierung kann ein Elektronik-Einschubschrank vollständig luftgekühlt sein. In einem solchen Fall können eine oder mehrere Luftumwälzeinheiten bereitgestellt sein, um einen Luftstrom durch den Elektronik-Einschubschrank zu befördern und die Wärme freisetzenden Elektronikbauelemente oder -module innerhalb des Racks zu kühlen. Herkömmliche luftgekühlte Einschubschränke werden zwar immer noch weithin verwendet, jedoch ist die durch sie abgeführte Wärmemenge begrenzt. Durch diese Einschränkung ist der Datenverarbeitungsleistung, die in einem Elektronik-Einschubschrank mit ausschließlicher Luftkühlung erreicht werden kann, eine Grenze gesetzt.
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Zur Überwindung dieser Grenze verwenden einige Hochleistungs-Computersysteme heutzutage eine Kombination aus Luftkühlung und Wasserkühlung. Zum Beispiel können Bauelemente mit geringer Verlustleistung durch Luftumwälzeinheiten gekühlt werden, während Bauelemente mit hoher Wärmeentwicklung wie beispielsweise Prozessormodule durch Wasser über Kühlplatten gekühlt werden, um die starke Wärme abzuleiten. Durch Zufluss- und Rückflussanschlüsse an einer Seite des Elektronik-Einschubschranks kann Wasser parallel jedem Serverknoten zugeführt und von diesem abgeleitet werden. Zwar erfüllen luftgekühlte und luft/wassergekühlte Einschubschränke bei den gegenwärtigen Leistungsanforderungen weiterhin ihre Funktionen, jedoch stellt der zunehmende Leistungsbedarf immer höhere Anforderungen an eine leistungsfähige Kühlung, um die Datenverarbeitungsleistung weiter steigern zu können. Darüber hinaus werden die Anforderungen an die Kühlung durch die Einführung des 3-D-Chip-Packaging noch weiter verschärft.
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Tauchkühlung stellt eine mögliche Lösung dieser Probleme dar. Bei der Tauchkühlung werden die zu kühlenden Bauelemente in eine dielektrische Flüssigkeit getaucht, die Wärme zum Beispiel durch Sieden abführt. Der Dampf wird dann durch eine zweite Flüssigkeit kondensiert, zum Beispiel unter Verwendung von Rippenkühlern. Alternativ kann eine Einphasentauchkühlung mit natürlicher Konvektion in Verbindung mit einem flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper verwendet werden, der in die dielektrische Flüssigkeit eintaucht, was im Folgenden erläutert wird. Durch direkte Tauchkühlung eines oder mehrerer elektronischer Bauelemente eines Elektroniksystems wie bei einem Elektroniksystem in Einschüben eines Elektronik-Einschubschranks unter Verwendung einer dielektrischen Flüssigkeit (z.B. eines dielektrischen flüssigen Kühlmittels) entfällt auf vorteilhafte Weise die Notwendigkeit einer Luftzwangskühlung, sodass eine vollständige Flüssigkeitskühlung eines Elektronikknotens und somit des Elektronik-Einschubschranks in dem Datenzentrum ermöglicht wird. Durch die Verwendung von Tauchkühlung mit einer dielektrischen Flüssigkeit können sich mehrere einzigartige Vorteile gegenüber anderen Kühlansätzen ergeben.
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Zum Beispiel würden durch die Verwendung einer dielektrischen Flüssigkeit, die bei einer Temperatur oberhalb der normalen Lufttemperatur im Freien kondensiert, Kühlarchitekturen für Datenzentren möglich, die keine energieintensive Kältetechnik erfordert. Außerdem lässt die Verwendung der Flüssigkeitstauchkühlung in bestimmten Fällen eine kompaktere Bauweise der elektronischen Bauelemente in den elektronischen Untersystemen und/oder der elektronischen Einschübe selbst zu, da auf leitfähige Kühlstrukturen verzichtet werden könnte. Im Gegensatz zu korrosionsanfälligen wassergekühlten Systemen wäre bei einem chemisch inerten dielektrischen Kühlmittel (das bei einer hierin beschriebenen Tauchkühlung verwendet wird) als bevorzugtes benetztes, Wärme leitendes Metall kein Kupfer erforderlich. Durch preiswertere und leichtere Aluminiumstrukturen könnten Kupferstrukturen ersetzt werden, wo dies thermisch sinnvoll ist, und die Baugruppen mit verschiedenen benetzten Metallen wären nicht für galvanische Korrosion anfällig, die bei Wasserkühlung auftritt. Zumindest aus diesen möglichen Vorteilen können sich aus der dielektrischen Flüssigkeitstauchkühlung eines oder mehrerer elektronischer Systeme (oder Teile eines oder mehrerer elektronischer Systeme) eines Einbauschranks deutliche Energieeinsparungen und höhere Datenverarbeitungsleistungen als bei den gegenwärtig verfügbaren hybriden Systemen mit Luft- und indirekter Wasserkühlung ergeben.
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Bei den im Folgenden erörterten Beispielen kann die dielektrische Flüssigkeit eine beliebige Vielfalt an handelsüblichen dielektrischen Kühlmitteln aufweisen. Zum Beispiel kann eine der von der 3M Corporation hergestellten Flüssigkeiten Fluorinert™ oder Novec™ (z.B. FC-72, FC-86, HFE-7000 und HFE-7200) verwendet werden. Falls gewünscht kann alternativ auch ein Mineralöl wie beispielsweise SpecTrosyn Oil von Exxon-Mobil verwendet werden.
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1A ist allgemein eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines flüssigkeitsgekühlten, allgemein mit 100 bezeichneten Elektronik-Einschubschranks, bei dem eine Tauchkühlung von elektronischen Bauelementen und/oder Systemen verwendet wird. Der gezeigte flüssigkeitsgekühlte Elektronik-Einschubschrank 100 enthält ein Einschubgestell 101, das eine Mehrzahl Elektroniksysteme 110 enthält, die gemäß der veranschaulichten Ausführungsform waagerecht angeordnet sind, sodass sie in Einschüben innerhalb des Gestells übereinander gestapelt sind. Beispielsweise kann es sich bei jedem Elektroniksystem 110 um eine Servereinheit einer Mehrzahl in das Gestell eingebauter Servereinheiten handeln. Außerdem kann jedes Elektroniksystem mehrere zu kühlende elektronische Bauelemente enthalten, zu denen gemäß einer Ausführungsform wiederum mehrere verschiedene Typen elektronischer Bauelemente mit unterschiedlichen Höhen und/oder Formen innerhalb des Elektroniksystems gehören können.
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Die gezeigte Kühlvorrichtung enthält eine oder mehrere modulare Kühleinheiten (MCU) 120, die beispielsweise in einem unteren Teil des Einbauschranks 101 angeordnet sind. Jede modulare Kühleinheit 120 kann der in 2B dargestellten und im Folgenden beschriebenen modularen Kühleinheit ähnlich sein. Die modulare Kühleinheit enthält zum Beispiel einen Flüssig/Flüssig-Wärmetauscher zum Aufnehmen der Wärme von dem durch einen Systemkühlmittelkreislauf 130 der Kühlvorrichtung strömenden Kühlmittel und zum Abgeben der Wärme innerhalb eines Anlagenkühlkreislaufs 119, die eine Anlagenkühlmittelzuflussleitung 121 und eine Anlagenkühlmittelrückflussleitung 122 aufweist. Gemäß einem Beispiel ist die modulare Kühleinheit 120 durch die Anlagenkühlmittelzufluss- und -rückflussleitung 121, 122 mit einer (nicht gezeigten) Anlagenkühlmittelzufluss- und -rückflussleitung des Datenzentrums verbunden. Ferner enthält die modulare Kühleinheit 120 einen geeignet dimensionierten Vorratsbehälter, eine Pumpe und wahlweise einen Filter, um die Kühlflüssigkeit unter Druck durch den Systemkühlmittelkreislauf 130 zu befördern. Gemäß einer Ausführungsform enthält der Systemkühlmittelkreislauf 130 einen Kühlmittelzuflussverteiler 131 und einen Kühlmittelrückflussverteiler 132, die zum Beispiel durch flexible Schläuche mit der modularen Kühleinheit 120 verbunden sind. Die flexiblen Schläuche könnten eine Montage des Zufluss- und des Rückflussverteilers zum Beispiel innerhalb einer Tür des Elektronik-Einschubschranks ermöglichen, die schwenkbar an der Vorderseite oder der Rückseite des Elektronik-Einschubschranks befestigt ist. Gemäß einem Beispiel weisen sowohl der Kühlmittelzuflussverteiler 131 als auch der Kühlmittelrückflussverteiler 132 ein längeres starres Rohr auf, das senkrecht an dem Elektronikgehäuse 101 oder an einer Tür des Elektronik-Einschubschranks befestigt ist.
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Gemäß einer veranschaulichten Ausführungsform sind der Kühlmittelzuflussverteiler 131 und der Kühlmittelrückflussverteiler 132 fluidmäßig mit entsprechenden Kühlmitteleingängen 135 und Kühlmittelausgängen 136 einzelner abgedichteter Gehäuse oder Umhüllungen 140 verbunden, die die elektronischen Systeme 110 enthalten. Eine fluidmäßige Verbindung zwischen den Verteilern und den abgedichteten Gehäusen wird zum Beispiel mittels geeignet dimensionierter flexibler Schläuche 133, 134 hergestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist jeder Kühlmitteleingang 135 und Kühlmittelausgang 136 eines abgedichteten Gehäuses mit einem entsprechenden flüssigkeitsgekühlten Dampfabscheider 150 verbunden, der innerhalb des abgedichteten Gehäuses 140 angeordnet ist. Die mittels des entsprechenden flüssigkeitsgekühlten Dampfabscheiders 150 von dem Elektroniksystem 110 abgeführte Wärme wird von dem Systemkühlmittel über den Kühlmittelrückflussverteiler 132 und die modulare Kühleinheit 120 an den Anlagenkühlmittelkreislauf 119 übertragen. Gemäß einem Beispiel handelt es sich bei dem durch den Systemkühlmittelkreislauf 130 und somit durch die entsprechenden flüssigkeitsgekühlten Dampfabscheider 150 strömenden Kühlmittel um Wasser.
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Es ist zu beachten, dass allgemein eine Fluidverbindung zwischen den elektronischen Teilsystemen und den Kühlmittelverteilern sowie zwischen den Verteilern und der/den modularen Kühleinheit/en unter Verwendung geeigneter Schläuche, Schlauchstutzen und Schnellkupplungen hergestellt werden kann. Bei dem veranschaulichten Beispiel enthalten die senkrecht ausgerichteten Kühlmittelzufluss- und -rückflussverteiler 131, 132 jeweils Anschlüsse, um eine Fluidverbindung der entsprechenden Kühlmitteleingänge und -ausgänge 135, 136 der (die elektronischen Teilsysteme enthaltenden) Gehäuse über die flexiblen Schläuche 133, 134 mit den Verteilern herzustellen. Zum Verbinden der flexiblen Schläuche mit den Kühlmitteleingängen und Kühlmittelausgängen der abgedichteten Gehäuse können entsprechende Schnellkupplungen verwendet werden, um zum Beispiel dem Elektronik-Einschubschrank ein Gehäuse und ein elektronisches Teilsystem zu entnehmen. Bei den Schnellkupplungen kann es sich um einen beliebigen Typ verschiedener handelsüblicher Kupplungen handeln, beispielsweise um Kupplungen von Colder Products Co. aus St. Paul, Minnesota, USA, oder Parker Hannifin aus Cleveland, Ohio, USA.
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Ebenfalls können ein oder mehrere hermetisch abgedichtete elektrische Steckverbinder 148 in jedem abgedichteten Gehäuse 140 bereitgestellt sein, zum Beispiel an einer Rückfläche desselben, um diese mit einer entsprechenden elektrischen Ebene des Elektronik-Einschubschranks zu verbinden und für das innerhalb des abgedichteten Gehäuses befindliche Elektroniksystem elektrische und Netzwerkverbindungen bereitzustellen, wenn das Elektroniksystem funktionsfähig innerhalb des abgedichteten Gehäuses und das abgedichtete Gehäuse funktionsfähig innerhalb des Einbauschranks angeordnet ist.
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Gemäß einer oder mehreren in 1B veranschaulichten Implementierungen kann das Elektroniksystem 110 eine Mehrzahl elektronischer Bauelemente 142, 143 unterschiedlicher Höhe und/oder unterschiedlichen Typs auf einem Substrat 141 aufweisen und ist innerhalb des abgedichteten Gehäuses 140 mit der Mehrzahl elektronischer Bauelemente 142, 143 dargestellt, die in eine dielektrische Flüssigkeit 145 eingetaucht sind. Das abgedichtete Gehäuse 140 ist so gestaltet, dass es ein abgedichtetes Fach um das Elektroniksystem herum mit der Mehrzahl innerhalb des abgedichteten Fachs angeordneter elektronischer Bauelemente 142, 143 zumindest teilweise umschließt und bildet. In einem Betriebszustand sammelt sich die dielektrische Flüssigkeit 145 im flüssigen Aggregatzustand am Boden des abgedichteten Fachs an und bietet ein ausreichendes Volumen, in dem die elektronischen Bauelemente 142, 143 eintauchen. Die elektronischen Bauelemente 142, 143 geben unterschiedlich hohe Wärmemengen ab, sodass die dielektrische Flüssigkeit siedet und Dampf aus der dielektrischen Flüssigkeit freisetzt, der zum oberen Teil des abgedichteten Fachs des Gehäuses steigt.
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Der obere Teil des in 1 B gezeigten abgedichteten Gehäuses 140 enthält einen flüssigkeitsgekühlten Dampfabscheider 150. Bei dem flüssigkeitsgekühlten Dampfabscheider 150 handelt es sich um eine Wärme leitende Struktur, die (gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen) eine flüssigkeitsgekühlte Grundplatte 152 und eine Mehrzahl Wärme leitender Kühlrippen 151 enthält, die sich von dieser aus in den oberen Teil des abgedichteten Fachs erstrecken. Eine Schachtstruktur 154 weist einen Teil der flüssigkeitsgekühlten Grundplatte 152 auf und ermöglicht ein Durchleiten des Kühlmittels des Systems durch einen oder mehrere Kanäle in der flüssigkeitsgekühlten Grundplatte 152. Im Betriebszustand steht der Dampf der dielektrischen Flüssigkeit in Kontakt mit den Kühlflächen der Wärme leitenden Kühlrippen, wird durch Kondensation wieder in die Flüssigphase überführt und tropft nach unten auf den Boden des abgedichteten Fachs.
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Das in den Kühlmitteleingang des Gehäuses eingespeiste Kühlmittel des Systems strömt durch die flüssigkeitsgekühlte Grundplatte des flüssigkeitsgekühlten Dampfabscheiders und kühlt das kompakte Material des Dampfabscheiders ab, sodass die Temperatur der Oberflächen der Abscheiderrippen, die innerhalb des abgedichteten Fachs dem Dampf der dielektrischen Flüssigkeit (oder der dielektrischen Flüssigkeit selbst) ausgesetzt sind, deutlich unterhalb der Sättigungstemperatur des Dampfes liegt. Somit gibt der in Kontakt mit den kälteren Oberflächen der Abscheiderrippen befindliche Dampf Wärme an diese Oberflächen ab, kondensiert und geht wieder in den flüssigen Aggregatzustand über. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des flüssigkeitsgekühlten Dampfabscheiders 150 kann die Temperatur der abgeschiedenen Flüssigkeit nahe der Dampftemperatur liegen oder auf eine weit niedrigere Temperatur abgesenkt sein.
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Ein Vorteil der in den 1A und 1B dargestellten Tauchkühlung besteht darin, dass alle zu kühlenden Bauelemente in die dielektrische Flüssigkeit eintauchen. Die Systemflüssigkeit kann einen größeren Temperaturanstieg vertragen und hält gleichzeitig die Temperaturen der Bauelemente aufrecht, sodass eine geringere Strömungsgeschwindigkeit und höhere Eingangstemperaturen möglich sind, wodurch die Energieeinsparung der Kühlvorrichtung erhöht wird.
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Bei der Tauchkühlung eines Elektroniksystems wie beispielsweise eines Servers kann es bei der Wartung oder beim Austauschen eines oder mehrerer Bauelemente des Elektroniksystems, beispielsweise eines oder mehrerer Speichermodule, zu Problemen kommen. Für die Wartung beziehungsweise das Austauschen eines Bauelements bei einem tauchgekühlten Elektroniksystem muss das Kühlmittel aus dem Elektroniksystem abgelassen und das abgedichtete Fach geöffnet werden, um an das/die zu wartenden oder auszutauschenden elektronischen Bauelement(e) heranzukommen. Eine diesbezügliche Ausführungsform ist in 2A dargestellt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist in 2A ein flüssigkeitsgekühlter Elektronik-Einschubschrank 200 dargestellt, der eine Tauchkühlung elektronischer Bauelemente oder Systeme verwendet. Der gekühlte Einschubsschrank 200 enthält ein Elektronikgestell 201 mit einer Mehrzahl Elektroniksysteme 210, die gemäß der veranschaulichten Ausführungsform waagerecht angeordnet und in Einschüben innerhalb des Gestells übereinander gestapelt sind. Bei jedem Elektroniksystem 210 kann es sich beispielsweise um eine Servereinheit einer Mehrzahl in ein Gestell installierter Servereinheiten handeln. Außerdem kann jedes Elektroniksystem ein oder mehrere zu kühlende elektronische Bauelemente enthalten, die gemäß einer Ausführungsform mehrere verschiedene Typen elektronischer Bauelemente mit unterschiedlichen Höhen und/oder Formen innerhalb des Elektroniksystems aufweisen können.
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Die Kühlvorrichtung ähnelt in gewisser Weise der in den 1A und 1B dargestellten. Zum Beispiel enthält die Kühlvorrichtung eine oder mehrere modulare Kühleinheiten (modular cooling units, MCUs) 220, die beispielsweise in einem unteren Teil des Einschubgehäuses 201 angeordnet sind. 2B veranschaulicht eine Ausführungsform einer modularen Kühleinheit 220.
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Die modulare Kühleinheit 220 von 2B enthält gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen Verbindungselemente zum Anlagenkühlmittelkreislauf 119, der eine Kühlmittelzuflussleitung 121 und eine Kühlmittelrückflussleitung 122 aufweist. Die Figur zeigt, dass ein Anlagenkühlmittel durch ein Steuerventil 222 zugeführt wird, das durch einen Motor 223 angetrieben wird. Das Steuerventil 222 bestimmt die Menge des durch einen Flüssig/Flüssig-Wärmetauscher 221 zu pumpenden Anlagenkühlmittels, wobei unter Umständen ein Teil des Anlagenkühlmittels direkt durch eine Nebenschlussleitung 224 zurückgeleitet wird. Die modulare Kühleinheit enthält ferner einen Systemkühlmittelkreislauf mit einem Vorratsbehälter 225, von dem aus das Systemkühlmittel entweder durch die Pumpe 226 oder die Pumpe 227 in den Flüssig/Flüssig-Wärmetauscher 221 gepumpt wird, um es abzukühlen und von dort als abgekühltes Systemkühlmittel den flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper innerhalb des zu kühlenden Elektronik-Einschubschranks zuzuführen. Das abgekühlte Systemkühlmittel kann gemäß der Figur dem Systemkühlmittelzuflussverteiler 231 zugeführt und vom Systemkühlmittelrückflussverteiler 232 wieder zurückgeführt werden.
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Gemäß einem oder mehreren in 2A veranschaulichten Beispielen sind die modularen Kühleinheiten 220 durch entsprechende flexible Zufluss- und Rückflussschläuche 228, 229 fluidmäßig mit dem Kühlmittelzuflussverteiler 231 und dem Kühlmittelrückflussverteiler 232 verbunden. Beispielsweise können sowohl der Kühlmittelzuflussverteiler 231 als auch der Kühlmittelrückflussverteiler 232 jeweils ein längeres starres Rohr aufweisen, das senkrecht am Einschubgestell 201 oder einer Tür des Elektronik-Einschubschranks befestigt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform von 2A sind der Kühlmittelzuflussverteiler 231 und der Kühlmittelrückflussverteiler 232 jeweils mit entsprechenden Flüssigkeitszufluss- und -rückflussanschlüssen verbunden, die den einzelnen Gehäusen 240 zugehörig sind, welche die Elektroniksysteme 210 enthalten. Beispielsweise kann es sich bei den Gehäusen 240 um Einschubgehäuse handeln, die so dimensioniert sind, dass sie in den Elektronik-Einschubschrank 201 passen und so eingerichtet sind, dass sie dem Elektronik-Einschubschrank entnehmbar sind, zum Beispiel zum Warten der elektronischen Bauelemente oder Systeme innerhalb des Gehäuses. Darüber hinaus handelt es sich bei den Gehäusen 240 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen um abgedichtete Gehäuse, die einen gegen das Gehäuse 240 flüssigkeitsdicht abgedichteten Gehäusedeckel enthalten können, um innerhalb des Gehäuses ein flüssigkeitsdichtes Fach zu bilden. Eine fluidmäßige Verbindung zwischen dem Kühlmittelzufluss- und -rückflussverteiler 231, 232 und den die Elektroniksysteme 210 enthaltenden Gehäusen kann zum Beispiel durch geeignet dimensionierte flexible Schläuche 233, 234 hergestellt werden.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist jeder Flüssigkeitszufluss- und -rückflussanschluss eines Gehäuses 240 mit einem Eingang oder Ausgang eines entsprechenden schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers 250 verbunden (2C), der innerhalb des Gehäuses 240 angeordnet ist. Die mittels des entsprechenden schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers 250 von dem Elektroniksystem 210 abgeführte Wärme wird von dem Systemkühlmittel über den Kühlmittelrückflussverteiler 232 und die modulare Kühleinheit 220 zum Anlagenkühlmittelkreislauf übertragen (2B). Gemäß einem Beispiel weist das Kühlmittel, das durch den Systemkühlmittelkreislauf fließt, und daher das Kühlmittel, das durch den entsprechenden schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 250 fließt, Wasser auf.
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Ebenso wie bei der Ausführungsform der 1A und 1B kann eine fluidmäßige Verbindung zwischen den Elektroniksystemen oder -untersystemen und den Kühlmittelverteilern sowie zwischen den Verteilern und der oder den mehreren modularen Kühleinheiten unter Verwendung geeigneter Schläuche, Schlauchtüllen und Schnellverbinder hergestellt werden. Gemäß einem Beispiel enthalten die senkrecht ausgerichteten Kühlmittelzufluss- und -rückflussverteiler 231, 232 jeweils Anschlüsse 235, 236, die eine fluidmäßige Verbindung der entsprechenden Flüssigkeitszufluss- und -rückflussanschlüsse der Gehäuse 240 mit den Verteilern über die flexiblen Schläuche 233, 234 ermöglichen. Zum Verbinden der flexiblen Schläuche mit den Flüssigkeitszufluss- und -rückflussanschlüssen der Gehäuse und/oder den Verteilern können entsprechende Schnellverbinder verwendet werden, damit ein Gehäuse und ein Elektroniksystem von dem Elektronik-Einschubschrank abnehmbar ist. Bei den Schnellverbindern kann es sich um eines von verschiedenen Typen handelsüblicher Verbindungselemente handeln, beispielsweise solche von Colder Products Co., St. Paul Minnesota, USA, oder Parker Hannifin, Cleveland, Ohio, USA.
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Ebenso wie bei der oben in Verbindung mit den 1A und 1B beschriebenen Ausführungsform können in Verbindung mit jedem Gehäuse 240, zum Beispiel an einer Rückfläche desselben, ein oder mehrere hermetisch abgedichtete elektrische Steckverbinder bereitgestellt sein, um das Gehäuse an eine entsprechende elektrische Ebene des Elektronik-Einschubschranks anzuschließen und elektrische und Netzwerkverbindungen mit dem elektronischen System oder den Bauelementen herzustellen, die innerhalb des Gehäuses 240 untergebracht sind, wenn das Elektroniksystem funktionsmäßig innerhalb des Gehäuses und das Gehäuse wiederum arbeitsfähig innerhalb des Elektronik-Einschubschranks angeordnet ist.
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In Verbindung mit den 3A bis 3C wird im Folgenden näher erläutert, dass innerhalb jedes Gehäuses eine dielektrische Flüssigkeit, die (gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen) ein flüssiges Dielektrikum enthält, untergebracht ist, um für eine Tauchkühlung der einen oder mehreren elektronischen Bauelemente oder Systeme innerhalb des Gehäuses jedes Einschubs zu sorgen. Durch die Verwendung einer direkten Tauchkühlung mit einem dielektrischen Kühlmittel wird ein Mittel zum verbesserten Kühlen der Bauelemente und/oder Systeme bereitgestellt. Ein hierin beschriebener Vorteil besteht darin, dass Wartungsarbeiten vor Ort trotz der Verwendung der Tauchkühlung der elektronischen Bauelemente oder Systeme in jedem Einschub weiterhin durchführbar sind. Eine Ausführungsform der Kühlvorrichtung, die die Durchführbarkeit von Wartungsarbeiten vor Ort veranschaulicht, ist in den 2A und 2C dargestellt.
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In 2A sind flexible Schläuche 233, 234 eines ausgewählten Gehäuses 240 gezeigt, die von den entsprechenden Verteilern 231, 232 getrennt sind. Außerdem ist eine Einfüll/Ablass-Leitung 207 mit einem Einfüll/Ablassanschluss 241 des Gehäuses 240 verbunden, um eine fluidmäßige Verbindung zwischen einem Einfüll/Ablass-Wartungswagen 202 und dem Fach herzustellen, das die dielektrische Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses 240 enthält.
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Gemäß einer oder mehreren Implementierungen enthält der Einfüll/Ablass-Wartungswagen 202 einen Vorratsbehälter 203 für das dielektrische Kühlmittel, der zumindest teilweise mit einem flüssigen Dielektrikum 204 gefüllt ist. Außerdem sind innerhalb des Einfüll/Ablass-Wartungswagens 202 eine Pumpe 205 und ein Filter 206 sowie Rohre mit Magnetventilen A, B, C und D untergebracht. In der Zeichenerklärung von 2A gelten die Schaltzustände offen „O“ und geschlossen „C“ der Magnetventile sowohl für den Ablassvorgang als auch für den Einfüllvorgang, wobei das flüssige Dielektrikum beim Ablassvorgang aus dem Fach des Gehäuses abgelassen und beim Füllvorgang in das Fach des Gehäuses gepumpt wird.
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2C zeigt, dass das Gehäuse 240, in dem das zu wartende Elektroniksystem enthalten ist, zumindest teilweise dem Elektronik-Einschubschrank 201 entnommen ist. Sobald das Gehäuse 240 herausgezogen ist, kann der (nicht gezeigte) Gehäusedeckel abgenommen und das flüssige Dielektrikum in den Einfüll/Ablass-Wartungswagen 202 abgelassen werden. Zum Ablassen der Flüssigkeit aus dem Gehäuse 240 bleiben gemäß der Tabelle in 2A die Magnetventile A und D offen und die Ventile B und C geschlossen. Zwar läuft das flüssige Dielektrikum durch Schwerkraft allein aus dem Gehäuse 240 ab, jedoch kann die Pumpe 205 des Einfüll/Ablass-Wartungswagens 202 eingeschaltet werden, um den Prozess zu besch leun igen.
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Nach dem Ablassen der Flüssigkeit wird die Wartung des einen oder der mehreren elektronischen Bauelemente oder Elektroniksysteme ermöglicht, indem der drehbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper 250 aus einer Arbeitsstellung, in der das eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente oder Systeme innerhalb des Fachs abgedeckt sind, in eine (in 2C veranschaulichte) Wartungsstellung gekippt wird, in der ein Zugriff auf das eine oder die mehreren Bauelemente oder Systeme innerhalb des Fachs möglich ist. Ausführungsformen des schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers und der Anbringung des Kühlkörpers innerhalb des Gehäuses werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3A bis 4 näher beschrieben.
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Nach den Wartungsarbeiten an den elektronischen Bauelementen oder Systemen können die Magnetventile A und D des Einfüll/Ablass-Wartungswagens 202 geschlossen und die Ventile B und C geöffnet werden. Dann kann die Pumpe 205 eingeschaltet werden, um das flüssige Dielektrikum aus dem Vorratsbehälter 203 für das dielektrische Kühlmittel durch einen Teilchenfilter 206 und die Einfüll/Ablass-Leitung 207 in das Gehäuse 240 zu pumpen. Der Filter 206 kann bereitgestellt werden, um sicherzustellen, dass ein sauberes flüssiges Dielektrikum in das Gehäuse zurückgepumpt wird. Sobald das flüssige Dielektrikum innerhalb des Fachs des Gehäuses 240 einen gewünschten Füllstand erreicht, kann die Pumpe ausgeschaltet und die Einfüll/Ablass-Leitung 207 abgenommen werden. Gemäß einer oder mehreren Implementierungen kann der Einfüll/Ablass-Anschluss 241 einen Schnellverbinder aufweisen, der das Verbinden der Einfüll/Ablass-Leitung 207 mit dem Gehäuse 240 und das Trennen von diesem erleichtert. Sobald die Einfüll/Ablass-Leitung 207 abgenommen ist, kann der schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper 250 wieder zurückgedreht werden; das heißt, er kann in eine Arbeitsstellung zurückgeschwenkt werden, in der das eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente oder Systeme innerhalb des Fachs des Gehäuses abgedeckt sind. Dann kann der (nicht gezeigte) Gehäusedeckel wieder am Gehäuse befestigt und das Gehäuse wieder in eine Arbeitsstellung innerhalb des Elektronik-Einschubschranks 201 zurückgeführt werden. Die Strömung des Systemkühlmittels in das Gehäuse 240 kann wiederhergestellt werden, indem die flexiblen Schläuche 233, 234 wieder an die entsprechenden Kühlmittelzufluss- und -rückflussverteiler 231, 232 angeschlossen werden. Anschließend können das eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente/Systeme innerhalb des Fachs des gewarteten Gehäuses wieder mit Strom versorgt werden. Zu beachten ist, dass diese Wartungsarbeiten erfolgen können, während die anderen Bauelemente/Systeme innerhalb des Einbauschranks weiter arbeiten. Insbesondere sind die Stromversorgung und der Kühlmittelstrom während der Wartungsarbeiten vor Ort nur für das zu wartende ausgewählte Gehäuse eines Knotens unterbrochen.
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In den 3A bis 3C ist eine Kühlvorrichtung ausführlich dargestellt, die ein Einschubgehäuse 240 aufweist. Das tauchgekühlte Elektroniksystem 210 in den 3A und 3B und insbesondere das tauchgekühlte Elektroniksystems des Einschubs weist gemäß einer oder mehreren Implementierungen eine Leiterplatte 211 auf, auf der ein oder mehrere elektronische Bauelemente oder Module 212 angeordnet sind. 3B zeigt, dass das Elektroniksystem 210 innerhalb eines Fachs 245 untergebracht ist, das durch das Gehäuse 240 und den Deckel 246 definiert ist. Bei der dargestellten Implementierung sind am Rand des Gehäuses 240 mehrere Deckelklammern sowie eine Dichtung 247 bereitgestellt, die den Deckel 246 gemeinsam flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse 240 verbinden und zum Definieren eines flüssigkeitsdichten Fachs 245 beitragen. Innerhalb des Fachs 245 ist eine dielektrische Flüssigkeit bereitgestellt, die zum Beispiel sowohl ein flüssiges Dielektrikum 260 als auch ein dampfförmiges Dielektrikum 261 enthält (3B), das durch Sieden des flüssigen Dielektrikums 260 im Behälter entsteht. Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform taucht das Elektroniksystem 210 beispielsweise vollständig in das flüssige Dielektrikum 260 ein.
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Gemäß der Implementierung der 3A und 3B enthält der obere Bereich des Fachs 245 einen schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 250. Dabei ist zu beachten, dass diese Stellung nur als Beispiel dient. Der schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper kann in einer Vielfalt von Konfigurationen praktisch umgesetzt werden. Zum Beispiel kann der Kühlkörper wie in 3A veranschaulicht das gesamte Elektroniksystem 210 im Wesentlichen bedecken oder abdecken, das in einem unteren Bereich des Elektroniksystems angeordnet ist, oder alternativ, je nach Bedarf für eine bestimmte Anwendung, nur einen Teil des Elektroniksystems abdecken. Bei dem schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 250 handelt es sich um eine Wärme leitende Struktur, die (gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen) ein oder mehrere Wärme leitende, ein Kühlmittel enthaltende Rohre 252 und die mit dem Wärme leitenden Rohr 252 verbundene Mehrzahl Wärme leitender Rippen 251 enthält. Bei der Zweiphasen-Implementierung der 3A und 3B handelt es sich bei der Mehrzahl Wärme leitender Rippen 251 um eine Mehrzahl Wärme leitender Abscheiderrippen. Im Betriebszustand steigt der Dampf 261 der dielektrischen Flüssigkeit auf und berührt die kalten Oberflächen der Wärme leitenden Abscheiderrippen, an denen der Dampf kondensiert und wieder als flüssige Phase abgeschieden wird und nach unten in den unteren Bereich des abgedichteten Fachs 245 tropft.
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3C zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der eine Einphasenkühlung mit natürlicher Konvektion erfolgt. Gemäß dieser Ausführungsform füllt das flüssige Dielektrikum 260 das Fach 245 im Wesentlichen ganz aus, sodass der schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper 250 in das flüssige Dielektrikum 260 eintaucht. Je nachdem, wie stark der Wärmefluss von den elektronischen Bauelementen oder dem System 210 ist, können die einzelnen Wärme freisetzenden Bauelemente innerhalb des Fachs entweder gemäß dem Ansatz von 3B durch Behältersieden oder gemäß dem Ansatz von 3C durch natürliche Konvektion gekühlt werden.
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Zu beachten ist ferner, dass die veranschaulichte spezielle Konfiguration des flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers 250 nur als Beispiel dient und nicht als Einschränkung zu verstehen ist. Zum Beispiel können andere Konfigurationen von Kühlkörpern verwendet werden, um ein Abscheiden des Dampfes einer dielektrischen Flüssigkeit und/oder eine Direktkühlung des flüssigen Dielektrikums zu ermöglichen. Zum Beispiel kann der schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper 250 eine (nicht gezeigte) flüssigkeitsgekühlte Grundplatte mit einer Mehrzahl Wärme leitender Abscheiderrippen aufweisen, die sich von der Grundplatte aus in den oberen Bereich des abgedichteten Fachs erstrecken. Die flüssigkeitsgekühlte Grundplatte kann eine beliebige wünschenswerte Konfiguration Kühlmittel führender Kanäle aufweisen, die ein Durchleiten eines Systemkühlmittels durch den flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper ermöglichen.
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Bei der in 3A veranschaulichten Ausführungsform kann das Gehäuse 240 einen Flüssigkeitszuflussanschluss 242 und einen Flüssigkeitsrückflussanschluss 243 enthalten, die dem Gehäuse 240 und insbesondere einer Seitenwand des Gehäuses zugehörig sind. Außerdem sind innerhalb des Fachs 245 ein flexibler Flüssigkeitszuflussschlauch 255 und ein flexibler Flüssigkeitsrückflussschlauch 256 bereitgestellt, um den Flüssigkeitszufluss- beziehungsweise -rückflussanschluss 242, 243 fluidmäßig mit dem schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 250 zu verbinden. Gemäß einer oder mehreren Implementierungen können geeignete Schlauchtüllen und -klemmen verwendet werden, um die flexiblen Flüssigkeitszufluss- und -rückflussschläuche 255, 256 zwischen die Anschlüsse und den Kühlkörper einzubinden. Ferner sind gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ein Einfüll/Ablauf-Stutzen 241 sowie Flüssigkeitszufluss- und -rückflussanschlüsse 242, 243 in einem unteren Bereich des Faches 245 entlang einer vorderen Seitenwand des Gehäuses 240 angeordnet, die zum Beispiel an der Vorderseite des Elektronik-Einschubschranks erreichbar ist, in die das Gehäuse bestimmungsgemäß eingesetzt werden soll.
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Im Betriebszustand durchläuft das dem Flüssigkeitszuflussanschluss 242 des Gehäuses 240 zugeführte Systemkühlmittel den flexiblen Flüssigkeitszulaufschlauch 255 bis zu dem schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 250 und kühlt das kompakte Material des Kühlkörpers derart ab, dass die Temperatur der Wärme leitenden Abscheiderrippen, die bei dem Beispiel von 3B dem Dampf der dielektrischen Flüssigkeit (oder dem flüssigen Dielektrikum im Beispiel von 3C) innerhalb des Fachs ausgesetzt sind, deutlich unter der Sättigungstemperatur des Dampfes liegt. Somit gibt der Dampf, der in Kontakt mit den kälteren Oberflächen der Abscheiderrippen gerät, Wärme an die Oberflächen ab, kondensiert und geht wieder in den flüssigen Aggregatzustand über. Je nach den Arbeitsbedingungen des schwenkbaren flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers 250 kann die Temperatur der kondensierten Flüssigkeit nahe der Temperatur des Dampfes liegen oder wesentlich stärker abgesenkt sein.
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Bei einem oder mehreren Gehäusen 240 kann ein flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper 250 mittels einem oder mehreren geeigneten Scharnieren 253 und Klammern 254 schwenkbar an dem Gehäuse befestigt sein. Zum Beispiel kann der flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper 250 schwenkbar an einer Seitenwand eines Gehäuses 240 in einem oberen Bereich des Fachs 245 gemäß der Darstellung in den 3B bis 4 befestigt sein. Gemäß einer oder mehreren Implementierungen ist der schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper 250 in der Arbeitsstellung innerhalb des Fachs 245 waagerecht im oberen Bereich des Fachs angeordnet und deckt zum Beispiel das eine oder die mehreren durch Tauchkühlung zu kühlenden elektronischen Bauelemente oder Systeme ab.
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In 4 ist ein schwenkbarer flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper 250 veranschaulicht, der aus der Arbeitsstellung in eine Wartungsstellung drehbar ist, in der sich der Kühlkörper im Wesentlichen senkrecht vom Gehäuse 240 aus erstreckt. Dabei ist zu beachten, dass das Einschubgehäuse 240 und die Unterbaugruppe des Elektroniksystems 210 ohne das flüssige Dielektrikum innerhalb des Fachs 245 dargestellt sind. In der Wartungsstellung kann ein Mitarbeiter auf die eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente oder Systeme innerhalb des Fachs 245 zugreifen, um zum Beispiel das Bauelement/das System auszutauschen oder zu reparieren. Zu beachten ist auch, dass gemäß einer oder mehreren Implementierungen die flexiblen Flüssigkeitszufluss- und -rückflussschläuche 255, 256 angeschlossen bleiben und ausreichend lang und flexibel sind, sodass ein Drehen des Kühlkörpers zwischen der Arbeitsstellung und der Wartungsstellung möglich ist, ohne die Schläuche abzunehmen. Ferner ist zu beachten, dass beispielsweise bei dem dargestellten Beispiel der flexible Flüssigkeitszuflussschlauch 255 länger als der flexible Flüssigkeitsrückflussschlauch 256 ist. Gemäß einer oder mehreren Implementierungen sind die Flüssigkeitszufluss- und -rückflussanschlüsse 242, 243 (3A) nahe dem Scharnier 253 angebracht, um die flexiblen Flüssigkeitszufluss- und -rückflussschläuche 255, 256 möglichst kurz zu halten.
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Gemäß einem Beispiel wird ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung bereitgestellt, um ein Kühlen eines oder mehrerer elektronischer Bauelemente zu ermöglichen. Das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen eines Gehäuses, das so bemessen ist, dass es in ein Einschubgestell passt, wobei das Gehäuse ein Fach zum Aufnehmen des einen oder der mehreren elektronischen Bauelemente aufweist; Bereitstellen einer dielektrischen Flüssigkeit innerhalb des Fachs, wobei die dielektrische Flüssigkeit ein flüssiges Dielektrikum aufweist, in das das eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente eintauchen; und schwenkbares Befestigen eines flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers innerhalb des Fachs des Gehäuses, sodass der schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper im Betriebszustand eine Kühlung des einen oder der mehreren elektronischen Bauelemente mittels der dielektrischen Flüssigkeit innerhalb des Fachs ermöglicht und der schwenkbare flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper zwischen einer Arbeitsstellung, in der das eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente innerhalb des Fachs bedeckt sind und einer Wartungsstellung drehbar ist, in der ein Zugriff auf das eine oder die mehreren elektronischen Bauelemente innerhalb des Fachs möglich ist.
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Der obigen Erörterung ist zu entnehmen, dass hierin eine Kühlvorrichtung und ein gekühltes Elektroniksystem bereitgestellt werden, die vor Ort eine Austauschbarkeit eines oder mehrerer tauchgekühlter elektronischer Bauelemente oder Systeme zum Beispiel innerhalb eines Einschubs in einem Elektronik-Einschubschrank mit mehreren Einschüben gewährleisten, um eine Wartung des Bauelements/des Systems zu ermöglichen, während der Rest des Elektronik-Einschubschranks weiterhin mit Strom versorgt wird, funktioniert und gekühlt wird.
