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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung
für Rechnereinheiten,
die bei der Herstellung von Prozessrechnern/Rechnereinheiten unmittelbar
mit eingebaut wird, aber auch so ausgebildet ist, dass vorhandene
Prozessrechner/Rechnereinheiten mit der Kühleinrichtung nachgerüstet werden
können.
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Die bekannten Kühleinrichtungen bestehen in
der Regel aus zwangsbelüfteten
Aluminium- oder Kupferprofilen, die mit ihrer Bodenplatte zum Zwecke der
Wärmeübernagung
auf die Prozessor- oder Halbleiterkontaktflächen von Rechnereinheiten montiert sind.
Dabei bestimmt üblicherweise
der Luftdurchsatz die Kühlleistung
des Kühlers.
Kühleinrichtungen, die
sich eines Wasserkreislaufes mit angeschlossenem Wärmetauscher
oder einer angeschlossenen Tiefkühleinrichtung
bedienen, sind ferner bekannt, allerdings in der Praxis weniger
verbreitet.
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Die bekannten Kühleinrichtungen sind mit etlichen
Mängeln
behaftet, die zur Wirkung kommen durch laute Arbeitsgeräusche infolge
der vorgesehenen Luft- und Tiefkühlung,
in einem hohen Energieverbrauch bei Wasser- und Tiefkühlung sowie
in einer Anstauung von Wärme
im Rechnergehäuse
bei einer Luftkühlung.
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Die hohe Abwärmeproduktion bei Inbetriebsetzung
der Prozessoren von Rechnereinheiten führt zu nicht unerheblichen
Belastungen am jeweiligen Arbeitsplatz und es bedarf erheblicher
Aufwendungen, die Abwärmeproduktion
zu senken bzw. verträgliche
Temperaturen an den Arbeitsplätzen
zu sichern. Dies wird bei Luftkühlungen
durch entsprechenden Luftdurchsatz realisiert, was über vorgesehene
Lüfter bewerkstelligt
wird, die wiederum zu erhöhten
Lärmbelästigungen
führen.
Dabei ist nicht unkritisch, dass durch die Freisetzung der Prozessorwärme innerhalb des
Prozessor- oder Rechnergehäuses
so vorgewärmte
Innenluft nicht mehr in der Lage ist, weitere Wärme anderer Computerkomponenten
aufzunehmen.
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Dies ist insbesondere problematisch,
wenn mehrere Prozessoren zusammen aufgestellt sind, so in Serverräumen.
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Auch Wasserkühlungen können das Problem der Lärmentwicklung
nur bedingt lösen,
sie sind auch nicht frei von Betriebsgeräuschen und haben andererseits
auch noch einen weit höheren
Energiebedarf als Lüfter.
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So wurden mit den
DE 196 10 851 A1 und
DE 196 10 853 A1 Kühleinrichtungen
für elektronische
Bauteile vorgeschlagen, die dazu bestimmt sind, elektronische Bauteile
zu kühlen,
beispielsweise eine Gleichrichterdiode, die bei ihrer Inbetriebsetzung
Wärme entwickelt.
So beschreibt die
DE
196 10 851 A1 eine Kühleinrichtung
für elektronische
Bauteile, welche eine Kühlplatte,
auf deren einer Oberfläche
ein elektronisches Bauelement montiert ist; eine Vielzahl von Leitungen
besitzt, durch die ein Kühlmittel
fließt, wobei
Abschnitte der Außenflächen der
Leitungen mit der anderen Seite der Kühlplatte verbunden sind; und
einen Sammeltank, der in der Vielzahl der Leitungen angeordnet ist,
so dass eine Vielzahl von Kreislaufleitungen gebildet werden, in
denen das Kühlmittel
enthalten ist, und der Druck in den Kreislaufleitungen geringer
als der atmosphärische
Druck ist.
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Beschrieben wird, dass als Kühlmittel
beispielsweise Wasser zum Einsatz kommt, welches durch die zu übertragene
Wärme verdampft,
dabei einen Wärmeaustausch
mit der Außenluft
stattfindet, wodurch es gekühlt
und kondensiert wird.
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Auch bei dieser Lösung und der Lösung nach der
DE 196 10 853 A1 kommen
zusätzlich
Lüfter
zum Einsatz, die den Prozess des Wärmeaustausches unterstützen sollen.
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Dies wiederum bedingt die Nachteile,
dass durch den Einsatz der Lüfter
zusätzliche
Geräuschentwicklungen
hervorgerufen werden, die störend
auf das Arbeitsklima einwirken und damit zusätzlich ein hoher apparativer
und finanzieller Aufwand notwendig wird, um effektive Kühlerfolge
zu erzielen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung für Rechnereinheiten
zu entwickeln, welche sowohl in neu herzustellenden Rechnereinheiten
eingebaut werden kann aber auch so gestaltet ist, dass vorhandene Rechnereinheiten
nachrüstbar
sind und die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend ausgeschlossen
werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst.
Besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Lösungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung begründet sich
auf dem Prinzip und der Anwendung des Verdampfer-Wärmetauscher-Prozesses,
dessen geschaffene Kühleinrichtung
den jeweiligen vorherrschenden Betriebsbedingungen in einer Rechnereinheit
Rechnung trägt,
dabei die am jeweiligen Arbeitsplatz einer Rechnereinheit herrschenden
Arbeitsbedingungen berücksichtigt,
dies bei Verringerung des Lärmes,
der Senkung des Energieverbrauches sowie der Verhinderung von Stauwärme innerhalb
einer Rechnereinheit und der Flexibilität der Anordnung und Einbindung
der einzelnen Funktionselemente der Kühleinrichtung in den jeweils
auszurüstenden
Rechnereinheiten. Die Kühleinrichtung
ist erfindungsgemäß herausgebildet durch
ein Kühlelement,
einen Verdampfer und einen Wärmetauscher,
einen Kondensator, welche mittels flexibler Schlauchleitungen miteinander
verbunden sind.
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Der Verdampfer ist im Inneren des
Gehäuses der
Rechnereinheit in unmittelbarer Nähe des Prozessors angeordnet,
während
der Wärmetauscher, der
Kondensator außerhalb
der Rechnereinheit vorgesehen ist.
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Dabei ist es erfindungswesentlich,
dass die Elemente der Kühleinrichtung,
insbesondere die des Kühlelementes,
im Kernbereich des Rechners angeordnet sind, dem Teil des Rechners
bzw. der Rechnereinheit, in dem die übrigen Funktionsbauelemente angeordnet
sind.
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Die Verbindung vom Kühlelement
zum Wärmetauscher,
also vom Verdampfer zum Kondensator, erfolgt unter Verwendung flexibler
Schlauchleitungen, welche aus einem druck- und gassicheren Schlauchmaterial
hergestellt sind und über Schlauchanschlüsse zum
Verdampfer und Kondenstor verbunden werden.
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Es gehört auch zur Erfindung, dass
die Steigleitung für
das zu fördernde
Medium vom Kühlelement
zum Wärmetauscher,
also vom Verdampfer zum Kondensator, so am Kondensator angeschlossen
ist, dass dieser oberhalb des Anschlusses der Rücklaufleitung am Kondensator
vorgesehen ist.
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Die Rücklaufleitung vom Kondensator
zum Verdampfer sollte vorzugsweise so an diesen Bauteilen angeschlossen
sein, dass die Rücklaufleitung
unterhalb des Anschlusses der Steigleitung am Kondensator liegt
und gleichfalls der Anschluss der Rücklaufleitung möglichst
im „tiefsten" Punkt am Verdampfer
angeschlossen ist, somit der Kühlkreislauf der
Kühleinrichtung
geschlossen ist.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung
liegt darin, dass der Verdampfer mit einer Bodenplatte und einer
Haube ausgebildet ist, somit ein Hohlraum vorhanden ist, in dem
das Kühlmittel
Aufnahme findet und weitestgehend auch als Vorratsbehälter dient. Die
Haube des Verdampfers ist dabei mit einer Isolierung versehen, wodurch
eine Wärmabgabe
in das Innere der Rechnereinheit verhindert wird.
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Zur Erfindung gehört auch, dass ein gesondert
ausgebildeter Kühlmittelvorratsbehälter in
der Rücklaufleitung
für das
verflüssigte
Kühlmittel
vorgesehen ist, dies in der Art und Weise, dass der Kühlmittelvorratsbehälter vor
dem Eintritt der Rücklaufleitung
in den Verdampfer im Inneren des Gehäuses der Rechnereinheit angeordnet
ist.
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Es liegt durchaus im Rahmen der Erfindung, dass
der Kondensator auch innerhalb vom Gehäuse des Rechners/des Rechnereinheit
angeordnet werden kann, was insbesondere aus ästhetischen Gründen von
Vorteil ist.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
erscheint es sinnig und auch praktikabel, innerhalb der Rechnereinheit
einen Konvektionskanal vorzusehen, über den die Abwärme aus
der Rechnereinheit abgeführt
werden kann.
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Es liegt gleichfalls im Rahmen der
Erfindung, dass die Rücklaufleitung
für das
verflüssigte
Kühlmittel
vom Kondensator zum Verdampfer in einem bestimmten Bereich vergrößert ausgebildet
ist und dieser vergrößerte Bereich
der Rücklaufleitung
dann als Vorratsbehälter
fungiert.
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Die Vorteile der geschaffenen Lösung liegen in
der Kombination der Anordnung und Ausbildung der einzelnen Elemente
der Kühleinrichtung,
der Anordnung des Verdampfers innerhalb vom Gehäuse der Rechnereinheit und
der Zuordnung des Kondensators zur Rechnereinheit, welche außerhalb
vom Gehäuse
vorgesehen ist, wobei insbesondere mit dieser Lösung eine Wärmetransportanlage/Kühleinrichtung
für Prozessoren
und Halbleiter von Rechnereinheiten geschaffen wurde, bei der die
Verbindung von Verdampfer und Kondensator über flexible Leitungen erfolgt,
den Schlauchleitungen als Verbindungselemente zwischen Verdampfer
und Kondensator.
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So ist ferner von Vorteil, dass durch
die Integration der Verdampfung sowie Rückkühlung des Wärmetransportmediums, des Kältemittels
in der geschaffenen Kühleinrichtung,
dies ohne zusätzlichen Medienübergang
und einer weiteren Ausprägung
des Kreislaufsystems stattfindet.
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Ferner laufen die Verdampfungs- und
Verflüssigungsprozesse
gegenüber
herkömmlichen
Anlagen weitaus geräuschloser
ab, externe Antriebe in Form von Pumpen oder Kompres soren sind nicht notwendig,
gleichfalls bedarf es keiner Verwendung von Lüftern, wie bei bisherigen Kühleinrichtungen und
durch die Ausführung
der Transportleitungen für das
Kühlmittel
in den beschriebenen Schlauchleitungen, ist die Anpassung an die
jeweilige Einbaulage eines Prozessors im Gehäuse einer Rechnereinheit möglich. Dabei
sei erwähnt,
dass durchaus die Möglichkeit
gegeben ist, dass nach der Erfindung hergestellte Rechnereinheiten
bzw. mit den erfindungsgemäßen Merkmalen
nachgerüstete
Rechnereinheiten selbstverständlich
zusätzlich
mit einer Zusatzlüftung ausgerüstet werden
können,
dies beispielsweise in Form der Abordnung von geräuscharmen
Lüftern.
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Mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel
soll die Erfindung näher
erläutert
werden.
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Die dazugehörige Zeichnung zeigt in
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1:
die Anordnung der Kühleinrichtung
zu einer Rechnereinheit in prinziphafter Darstellung und in
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2:
eine Seitenansicht nach 1.
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Aus der Darstellung der 1 ergibt sich der Aufbau
einer Rechnereinheit, in einer prinziphaften Darstellung, in dessem
Gehäuse 1 ein
Motherboard 2, ein Einschub 3 sowie ein Netzteil 4 angeordnet sind.
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Ferner ergibt sich aus der 1 die Anordnung des Prozessors 5 mit
dem zugeordneten Verdampfer 7, welcher über seine Bodenplatte direkt
auf dem Prozessor 5 angeordnet ist. Der Wärmetauscher,
der Kondensator 6 ist bei dieser Ausführung der Rechnereinheit außerhalb
vom Gehäuse 1 vorgesehen,
vorzugsweise auf dem Gehäuse 1 der Rechnereinheit.
Die Anordnung des Kondensators 6 auf dem Gehäuse 1 der
Rechnereinheit stellt nur eine Anordnungsvariante vor, da der Kondensator 6 auch seitlich
am Gehäuse 1 der
Rechnereinheit angeordnet sein kann. Wesentlich bei der Anordnung
des Kondensators 6 außerhalb
der Rechnereinheit ist, dass seine Einbaulage so zu wählen ist,
dass eine ausreichende Luftströmung/Konvektion
gesichert ist.
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Die Verbindung zwischen dem Verdampfer 7 und
dem Kondensator 6 erfolgt über Schlauchleitungen die als
Steigleitung 8 und als Rücklaufleitung 9 ausgebildet
sind. Ferner ist aus der Darstellung nach 1 ersichtlich, dass ein Kühlmittelvorratsbehälter 10 im
Gehäuse 1 der
Rechnereinheit vorgesehen ist, hier unmittelbar in der Nähe des Verdampfers 7.
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Die Abbildung nach 2 zeigt gleichfalls, wie die einzelnen
Bauteile der Kühleinrichtung
innerhalb des Gehäuses 1 der
Rechnereinheit und wie diese zueinander angeordnet sind. Insbesondere
ergibt sich aus dieser Darstellung die Führung bzw. Verlegung der Steigleitung 8 und
der Rücklaufleitung 9 und
es wird verdeutlicht, dass die Anordnung und Verlegung der Steigleitung 8 und
der Rücklaufleitung 9 nicht
an begrenzte Verlegebestimmungen gebunden ist, sondern infolge der
Ausbildung der Steigleitung 8 und der Rücklaufleitung 9 als
Schlauchleitungen, diese unter Berücksichtigung der anderen im Gehäuse 1 vorgesehenen
Bauelemente, frei geführt sind,
ohne funktionelle Beeinträchtigung
der Rechnereinheit.
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Die Anschlüsse der Steigleitung 8 und
Rücklaufleitung 9 am
Verdampfer 7 und Kondensator 6 erfolgen über entsprechende
Schlauchanschlüsse,
wobei die Steigleitung 8 jeweils an der höchsten Stelle vom
Verdampfer 7 und des Kondensators 6 angeschlossenen
sind, während
die Rücklaufleitung 9 jeweils
an der tiefsten Stelle vom Kondensator 6 und Verdampfer 7 angeschlossen
ist.
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Zwischen der Rücklaufleitung 9, vor
Eintritt der Rücklaufleitung 9 in
den Verdampfer 7, ist der Kühlmittelbehälter 10 vorgesehen,
wobei, wie bereits oben ausgeführt,
der Kühlmittelbehälter 10 auch
innerhalb der Rücklaufleitung 9 vorgesehen
sein kann.
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Zur Funktionsweise der
Kühleinrichtung:
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Im Kühlkörper, dem Verdampfer 7,
welcher aus einem gut wärmeleitenden
Material, beispielsweise Kupfer besteht, befindet sich das Kühlmittel, das
bei einer innerhalb der Spezifikation der Rechnereinheit liegenden
Temperatur verdampft, wobei diese Verdampfungstemperatur oberhalb
der Raumtemperatur liegt. Das vaporisierte Kältemittel gelangt nun über die
Steigleitung 8 in den oberhalb und außerhalb des Gehäuses 1 befind lichen
Wärmetauscher, dem
Kondensator 6. Dort wird das Kühlmittel durch Abgabe der Wärme an die
kühlere
Raumlauf wieder verflüssigt
und läuft
durch Schwerkraft bedingt über die
Rücklaufleitung 9 zurück über den
Kühlmittelvorratsbehälter 10 und
von dort zum Verdampfer 7.
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Somit schließt sich der Kreislauf und das Kühlmittel
steht folglich bei ausreichend dimensionierter Fläche des
Kondensators 6 immer in genügender Menge zur Wärmeabfuhr
innerhalb des Verdampfers 7 zur Verfügung. Dieser Kreislauf wird
auch nicht dadurch unterbrochen, wenn der Kühlmittelvorratsbehälter 10 vor
dem Verdampfer 7 in der Rücklaufleitung 9 angeordnet
ist oder wenn der Verdampfer 7 selbst mit einem Vorratsraum
ausgebildet ist. Somit ist der Kreislauf geschlossen und ein neuer Prozesskreislauf
kann ablaufen.