DE102021002980A1

DE102021002980A1 - Verfahren zur Füllstandsmessung in Ausgleichsgefäßen

Info

Publication number: DE102021002980A1
Application number: DE102021002980.1A
Authority: DE
Inventors: Stephan Wille
Original assignee: Aqua Computer & Co KG GmbH
Current assignee: Aqua Computer & Co KG GmbH
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2022-12-15

Abstract

1. Verfahren zur Füllstandsmessung in Ausgleichsgefäßen von Flüssigkeitskühlsystemen für Computer und elektronische Baugruppen.2.1 Bei bisher bekannten Verfahren zur Füllstandsmessung wurde der Füllstand oftmals nicht richtig erfasst. Das neue Verfahren ermöglicht es eine einfache und zuverlässige Ermittlung des Füllstandes durchzuführen.2.2 Durch eine Gaspumpe wird das Ausgleichsgefäß mit einem festgelegten Unterdruck beaufschlagt. Das gepumpte Gasvolumen wird ermittelt und aus der Druckveränderung, dem gepumpten Gasvolumen und dem Nennvolumen des Ausgleichsgefäßes der Füllstand des Fluides ermittelt.2.3 Das Verfahren eignet sich grundsätzlich für geschlossene Behälter. Besondere Verwendung hat es im Bereich der hier dargelegten Flüssigkeitskühlsysteme.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Füllstandsmessung in Ausgleichsgefäßen für Flüssigkeitskühlsysteme.
Das Anwendungsgebiet, indem die hier beschriebene Vorrichtung insbesondere zum Einsatz kommen soll, ist die Flüssigkeitskühlung von integrierten Schaltkreisen mit hoher Verlustleistung auf kleinem Raum in Rechneranlagen.
Die derzeit noch übliche Kühlung ist die direkte Luftkühlung mittels Ventilatoren. Diese Kühlung hat allerdings verschiedene Nachteile, insbesondere die damit verbundene Geräuschentwicklung, den Eintrag von Staub in die Rechneranlage und die begrenzte Leistungsfähigkeit der Kühlung.
Es wurde daher in der Vergangenheit schon dazu übergegangen, elektronische Bauteile mit Fluiden, insbesondere Wasser zu kühlen.
Hierbei werden in der Regel geschlossene Flüssigkeitskühlsysteme verwendet. Die Rückkühlung des Fluides erfolgt in einem Wärmetauscher der in der Regel mit Lüftern versehen wird. Um das Fluid durch das Kühlsystem zu führen werden zumeist Kreiselpumpen verwendet.
Die Führung des Fluides erfolgt bevorzugt in flexiblen Schläuchen oder in Rohren aus Kunststoff.
Durch Diffusion des Fluides durch die nicht vollständig diffusionsdichten Leitungen und andere Bauteile des Kühlsystems kommt es während des Betriebs zu einem Verlust an Kühlmittel. Die beim heutigen Stand der Technik in der Regel verwendeten Kreiselpumpen werden schon durch geringe Mengen Luft im Betrieb gestört.
Ein Ausgleichsgefäß im Kühlsystem sorgt daher für einen Ausgleich des diffundierenden Kühlmittels.
Die automatisierte Überwachung des Füllstandes in diesem Ausgleichsgefäß erfolgte bisher durch verschiedene Methoden. Eine Messung des Druckes der anstehenden Wassersäule ist hierbei weit verbreitet. Diese Methode hat den Nachteil, dass die Füllhöhe der Ausgleichsgefäße oft nur wenige Zentimeter beträgt und es durch Bewegungen im Fluid zu größeren Schwankungen kommt. Daher ist die Messung oftmals unzuverlässig. Zudem kann die Form der Ausgleichsbehälter nicht durch die Messung berücksichtigt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Messung des Füllstandes über das Gewicht des Ausgleichsgefäßes. Hierzu muss jedoch baulich eine mechanisch aufwändige Entkopplung des Ausgleichsgefäßes realisiert werden.
Auch eine Messung des Füllstandes durch eine Längenmessung mit Hilfe von Ultraschall ist denkbar. Bei diesem Verfahren sind Wellenbewegungen allerdings häufig Grund für ungenaue Messungen. Zudem ist der technische Aufwand sehr groß.
Die hier dargestellte Erfindung macht es sich zur Aufgabe den Füllstand des Ausgleichsgefäßes mit Hilfe einer Veränderung des Druckes im Ausgleichsgefäß gegenüber der Umgebung zu ermitteln.
Hierzu wird eine Gaspumpe über gasdichte Leitungen mit dem Ausgleichsgefäß verbunden. Bevorzugt wird Gas aus dem Ausgleichsgefäß in die Umgebung zu saugen.
Die von der Gaspumpe geförderte Gasmenge wird über eine Volumenstrommessung erfasst. In der praktischen Ausführung kann dies auch durch die Erfassung der Motorumdrehungen oder Kolbenhübe der Gaspumpe erfolgen. Auch eine einfache Messung der Pumpenlaufzeit ist bei bekannter und konstanter Förderleistung der Gaspumpe oftmals ausreichend.
Zudem wird ein Druckmessgerät zur Messung des absoluten Drucks im Ausgleichsgefäß benötigt.
Eine übergeordnete Steuerung dient zur Steuerung der Gaspumpe. Die Steuerung wird mit dem Volumenstrommessgerät und dem Druckmessgerät verbunden. Während die Gaspumpe angesteuert wird summiert die Steuerung die vom Volumenstrommessgerät ermittelte Gasmenge.
Bei Erreichen eines Sollwertes für den absoluten Druck wird die Gaspumpe von der Steuerung ausgeschaltet. Dieser Druck liegt typischer Weise im Bereich von 50-500 mbar. unter dem Umgebungsdruck. Grundsätzlich möglich ist auch die Erzeugung eines Überdruckes gegenüber dem Umgebungsdruckes in diesem Druckbereich.
Da das verwendete Fluid in der Flüssigkeitskühlung im Vergleich zur Luft nahezu nicht kompressibel ist kann aus der geförderten Gasmenge und dem gemessenen absoluten Druck das Gasvolumen im Ausgleichsgefäß berechnet werden. $V_{G A S A G} = | \frac{P_{1}}{P_{1} - P_{2}} * V_{G E P} |$

VCAS AG: Gasvolumen im Ausgleichsgefäß
P1: Absoluter Druck bevor der Druck verändert wird
P2: Absoluter Druck nach der Druckänderung
VGEP: Gepumptes Gasvolumen der Gaspumpe

Wird beispielsweise bei einem absoluten Druck von 1000 mbar ein Liter Gas gefördert und anschließend ein absoluter Druck von 500 mbar gemessen, so beträgt das Volumen der Gasmenge im Ausgleichsgefäß entsprechend 2 I. Durch Kenntnis des Nennvolumens des Ausgleichsgefäßes kann anschließend die zu ermittelnde Fluidmenge durch Subtraktion der errechneten Gasmenge errechnet werden. $V_{F L U I D} = V_{A G} - V_{G A S A G}$

VFLUID: Volumen des Fluides
VAG: Nennvolumen des Ausgleichsgefäßes

Die hier dargestellten Formeln sind eine für die benötigte Genauigkeit bei der Ermittlung des Füllstandes ausreichend. Da es bei der Erzeugung des Unterdruckes im Gas zu thermischen Auswirkungen kommt, müssen diese bei höheren Ansprüchen an die Genauigkeit entsprechend erweitert werden.
In einer anderen Ausführung der Erfindung kann anstatt der Erzeugung eines definierten absoluten Druckes auch ein definiertes Gasvolumen gepumpt werden oder eine feste Laufzeit für die Gaspumpe verwendet werden.
Der Vorteil der Erfindung ist die Ermittlung des korrekten Fluid-Volumens ohne Einflüsse durch die Form des Ausgleichsgefäßes oder Störungen durch Bewegungen oder Wellen des Fluides.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung der Erfindung.

Das Ausgleichsgefäß (1) besitzt ein Gasvolumen (2) und ein Fluidvolumen (3). Es ist über eine Leitung mit einer gasdurchlässige Membran (4) verbunden. Die Leitung führt von der gasdurchlässigen Membran (4) über ein Volumenstrommessgerät (5) zur Gaspumpe (8).
Zudem ist das Druckmessgerät (10) über eine Leitung mit dem Ausgleichsgefäß (1) verbunden. Die Steuerung (9) steuert die Gaspumpe (8) und wertet die Messwerte des Volumenstrommessgerätes (5) sowie des Druckmessgerätes (10) aus.
Die Fluid-Pumpe (6) fördert das Fluid (3) durch die Fluid-Leitungen (12) des Kühlsystems. Dabei wird Wärme von einem Kühlkörper (7) an den zu kühlenden Bauteilen aufgenommen und am Wärmetauscher (11) wieder abgegeben.
Bezugszeichenliste

1: Ausgleichsgefäß
2: Gasvolumen
3: Fluid-Volumen
4: Membran
5: Volumenstrommessgerät
6: Fluid-Pumpe
7: Kühlkörper
8: Gaspumpe
9: Steuerung
10: Druckmessgerät
11: Wärmetauscher
12: Fluid-Leitung

Claims

Verfahren zur Messung des Füllstandes eines flüssigen Mediums in einem gegenüber dem Umgebungsdruck abgeschlossenen Ausgleichsgefäßes einer Flüssigkeitskühlung mittels eines Messmoduls, dass eine Gaspumpe (8), ein Druckmessgerät (10) und eine Messung des von der Gaspumpe (8) gepumpten Gasvolumens umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass a) der absolute Druck im Ausgleichsgefäß gemessen wird b) ein veränderter absoluter Druck im Ausgleichsgefäß durch Pumpen von Gasvolumen gegenüber der Umgebung erzeugt wird c) das während der Veränderung des Druckes gepumpte Gasvolumen ermittelt wird d) aus dem gemessenen absoluten Druck im Ausgleichsgefäß, dem nach Druckveränderung im Ausgleichsgefäß ermittelten absoluten Druckes, sowie dem gepumpten Gasvolumen das im Ausgleichsgefäß vorhandene Gasvolumen errechnet wird. e) aus dem bekannten Nennvolumen des Ausgleichsgefäßes und dem ermittelten Gasvolumen das Volumen der Flüssigkeit durch Subtraktion ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Messung der Arbeitszyklen oder der Laufzeit der Gaspumpe das gepumpte Gasvolumens ermittelt wird.