DE1233626B

DE1233626B - Gekuehlte elektronische Baugruppe

Info

Publication number: DE1233626B
Application number: DEC36316A
Authority: DE
Inventors: Earl Allen Mazorol Jun; Maurice Dean Roush
Original assignee: Control Data Corp
Current assignee: Control Data Corp
Priority date: 1964-07-08
Filing date: 1965-07-06
Publication date: 1967-02-02
Also published as: US3334684A; GB1064907A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G06f

Deutsche KL: 42 m3 -1/00

Nummer: 1233 626

Aktenzeichen: C36316IXc/42m3

Anmeldetag: 6. Juli 1965

Auslegetag: 2. Februar 1967

Die Erfindung betrifft eine gekühlte elektronische Baugruppe mit einem in zumindest zwei gegenüberliegenden Wandungen Kältemittelverdampferkanäle aufweisenden Gehäuse und mehreren in das Gehäuse einsetzbaren plattenförmigen Einschüben, welche je eine elektronische Baueinheit, wie logische und/oder Speichergruppen, bilden.

Bei schnell arbeitenden Datenverarbeitungsanlagen ist die Kühlung ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Konstruktion und dem Aufbau. Eine Kühlung ist notwendig, weil die elektrischen Bauteile in den Schaltungen der Rechenanlagen wärmeempfindlich sind, wie z.B. das in den Speichergruppen enthaltene ferromagnetische Material, das bei den meisten heutigen Rechenanlagen verwendet wird. Auf Grund der Tatsache, daß äußerst schnelle Schaltkreise in Rechenanlagen verwendet werden und die Bemessung der Schaltung von der genauen Bestimmung der Betriebszeiten der verschiedenen Schaltkomponenten abhängt, ist es erforderlich, die Temperatur dieser Bauteile in engen Grenzen zu halten, um eine richtige Funktion dieser Teile innerhalb der vorgeschriebenen Zeiten zu gewährleisten. Auf Grund dieser Betrachtungen sind Datenverarbeitungsanlagen bisher in den meisten Fällen mit Druckluftkühlungen verschiedener Bauart versehen worden, wobei Speicher und Schaltelemente innerhalb der Maschine der Kühlluft ausgesetzt werden, die durch geeignete Gebläse od. dgl. an diesen Bauteilen vorbeiströmt. Diese bekannten Kühleinrichtungen sind jedoch unbefriedigend, da es äußerst schwierig ist, eine konstante Temperatur über das gesamte Chassis der Rechenanlage aufrechtzuerhalten. Es entstehen bei diesen bekannten Ausführungsformen Temperaturgefälle zwischen verschiedenen Bereichen der Anlage.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung zu schaffen, die diese Nachteile nichtaufweistundeinegleichmäßigereTemperaturüber die gesamte Datenverarbeitungsanlage ermöglicht.

Die Erfindung betrifft daher eine Flüssigkeitskühlung für elektronische Baugruppen.

Kältemaschinen, die mit Flüssigkeiten arbeiten und die im wesentlichen aus Kompressor, Kondensator und Verdampfer bestehen und die automatisch arbeiten, sind bekannt. Bekannt sind auch Anlagen mit zwei oder mehreren Verdampfern.

Es sind ferner elektronische Baugruppen bekannt, die mit einer Kühlanlage unter Verwendung eines flüssigen Mediums gekühlt werden. Bei dieser bekannten Anlage ist das Gehäuse in Form eines üblichen Verdampfers für Haushaltskühlschränke ausgebildet.

Gekühlte elektronische Baugruppe

Anmelder:

Control Data Corporation,
Minneapolis, Minn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Fincke, Dipl.-Ing. H. Bohr
und Dipl.-Ing. S. Staeger, Patentanwälte,
München 5, Müllerstr. 31

Als Erfinder benannt:

Maurice Dean Roush, Chippewa Falls, Wis.;
Earl Allen Mazorol jun.,
Bloomington, Minn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 8. Juli 1964 (381100)

Ein Hauptnachteil dieses bekannten Gehäuses liegt darin, daß die elektronischen Baueinheiten unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und mit ihren Breitfiächen gegeneinander strahlen. Dadurch kann sich zwischen den einzelnen Einheiten ein sehr starker Temperaturgradient ausbilden, wenn diese Einheiten längere Zeit hindurch unterschiedlich belastet werden. Ferner sind bei der bekannten Anlage nur die Schmalseiten der elektronischen Baueinheiten den Kühlkanälen des Gehäuses zugewendet. Die Leistungsfähigkeit der Kühlung wird dadurch beträchtlich eingeschränkt. Auch fehlen bei der bekannten Baugruppe jegliche Abschirmungen zwischen den einzelnen Einheiten.

Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß die beiden einander gegenüberliegenden, Kältemittelverdampferkanäle aufweisenden Wandungen durch Zwischenwände aus gut wärmeleitendem Material in Abständen entsprechend der Breite eines Einschubes miteinander verbunden sind.

Durch die vorstehend gekennzeichneten erfindungsgemäßen Merkmale läßt sich eine einwandfreie Kühlung jeder einzelnen Baueinheit unabhängig von der Wärmeabstrahlung einer benachbarten Einheit erreichen, wobei darüber hinaus jegliche Kopplungs-

709 507/169

3 4

erscheinungen zwischen benachbarten Einheiten ver- In F i g. 1 sind vier gleiche logische und Speichermieden werden. baugruppen-Tragchassis 10 dargestellt. Diese vier

Gemäß der Erfindung wird also jede Einheit, d. h. Chassis bilden einen Bereich der schnellen Rechen-

jede logische oder jede Speichergruppe der Daten- anlage. Innerhalb jedes Chassis ist der grundlegende

Verarbeitungsanlage einzeln gekühlt. 5 Teil des Kühlsystems nach der Erfindung unterge-

Ferner werden durch das Kühlsystem nach der Er- bracht, der die Kühleinrichtung (den Verdampfer) 12 rindung die einzelnen logischen und die Speicher- bildet, und der eine Anzahl Kühlkanäle umfaßt, gruppen voneinander isoliert, so daß das Über- welche sich in Längsrichtung des Chassis 10 erstreksprechen von Gruppe zu Gruppe ausgeschaltet wird ken und an ihren Enden in Serie zusammengeschaltet und eine elektrische Abschirmung für jede Gruppe io sind. Außerhalb der Rechenanlagen-Chassis sind angebildet wird. dere Hauptteile des gesamten Kühlsystems unterge-

Die Erfindung ist im folgenden an Hand schema- bracht, und zwar der Kompressor 14 und der Kontischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel densor 16. Zusätzlich zu diesen wesentlichen Teilen ergänzend beschrieben. (dem Verdampfer, dem Kompressor und dem Kon-

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des ge- 15 densor) enthält das Kühlsystem zusätzliche Regelsamten Kühlsystems nach der Erfindung zur Kühlung ventile und Meßvorrichtungen. Diese werden an von Baugruppen in einem Rechenanlagenchassis; Hand der Funktionsbeschreibung des Systems be-

Fig. 2 ist eine gebrochene Vorderansicht eines schrieben. Die Funktion wird lediglich unter ZuTeiles eines Rechenanlagenchassis, in dem ein Teil grundelegen eines Chassis beschrieben, es ist jedoch des Kühlsystems nach der Erfindung untergebracht ist; 20 offenbar, daß das Verfahren bei den übrigen Chassis

Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie3-3 von identisch abläuft, da diese parallel zu den äußeren

Fig. 2, der die Art des Einbaus der Kühlelemente in Teilen des Kühlsystems geschaltet sind,

das Chassis zeigt, wobei die logischen Gruppen und Innerhalb des Kühlsystems ist ein flüssiges Kühl-

Speichergruppen allgemein gestrichelt dargestellt mittel, etwa ein fluorierter Kohlenwasserstoff vorge-

sind; 25 sehen. Dieses flüssige Kühlmittel gelangt aus dem

Fig. 4 ist eine perspektivische Teilansicht einer Kondensor 16 an die Oberseite des Chassis 10 von

logischen Gruppe eines Rechenanlagenchassis, die die der Flüssigkeitsleitung über ein Expansionsventil 18

Endverbindungen zeigt, mit denen die Kühlelemente und gelangt durch den Verdampfer 12 innerhalb des

angeschlossen sind. Chassis. Das Expansionsventil steuert zusammen mit

Die Erfindung umfaßt eine Anordnung zum Ein- 30 dem Druckregelventil 20 am Grund des Chassis den teilen des Rechenanlagenchassis in einer Anzahl Ab- Kühlmittelfluß durch den Verdampfer 12. Dieser teile zum Aufnehmen logischer und/oder Speicher- Kühlmittelfluß wird durch einen Thermostaten 22 beeinheiten. Dies ist dadurch erreicht, daß eine Anzahl stimmt, der die Temperatur des ausströmenden Kühlim Abstand voneinander angeordneter Aluminium- mittels am Grund des Verdampfers mißt. Der Therstangen in Längsrichtung des Chassis innerhalb des- 35 mostat 22 steuert die Tätigkeit des Expansionsventils selben angeordnet sind. Der Raum zwischen anein- 18, um die Menge des an das Chassis geleiteten Kühlandergrenzenden Stangen ist in Bereiche eingeteilt, mittels zu beeinflussen. Der Druck in dem Verdamp- und zwar mittels einer Anzahl quer sich erstrecken- fer wird durch das Ventil 20 konstant gehalten, an der Platten, die in einer vertikalen Ebene zwischen das der Druck und die Temperatur geleitet werden, den längsgerichteten Stangen aufgebaut sind. Inner- 40 Die Kanäle des Verdampfers 12 sind in Kühlstangen halb dieser Abteile sind die logischen und/oder Spei- untergebracht, die weiter unten noch beschrieben chereinheiten untergebracht, welche durch Befestigen sind. Die in den logischen und Speichergruppen inihrer Frontplatten an den Aluminiumstangen befestigt nerhalb des Chassis erzeugte Wärme wird an diese sind. Jede der längsgerichteten Stangen ist mit einem Kühlstangen geleitet, und beim Hindurchfließen des Innenkanal versehen, durch den ein Kühlmittel hin- 45 Kühlmittels durch den Verdampfer 12 steigt dessen durchgeleitet wird, wobei dieser Kanal sich in Längs- Temperatur über seinen Siedepunkt an, so daß das richtung der Stangen erstreckt. Die Kanäle aneinan- Kühlmittel verdampft wird und die Temperatur der dergrenzender Kühlstangen (längsgerichteter Stan- Kühlstangen erniedrigt. Das gasförmige Kühlmittel gen) sind in Serie miteinander verbunden, und das gelangt wieder über das Chassisregelventil 20, eine Kühlmittel wird mittels eines üblichen Kühlsystems, 50 Saugleitung und einen Wärmetauscher 24 zum Komdas außerhalb des Chassis angeordnet ist, durch die pressor 14. Der Wärmetauscher verbessert den Wir-Kanäle gedrückt. Die querverlaufenden vertikalen kungsgrad des Systems und stellt sicher, daß kein Platten, die die Räume zwischen aneinandergrenzen- flüssiges Kühlmittel während des Betriebes in den den Längsstangen trennen, bestehen aus einem Kompressor 14 zurückgelangt. Der Wärmetauscher wärmeleitenden Material. Der Abstand zwischen der 55 nimmt die Wärme aus der durch Kondensieren der Schaltungstafel einer Baugruppe und den quer sich warmen Gase erzeugten warmen Kühlflüssigkeit am erstreckenden vertikalen Platten ist so klein wie mög- Hochdruckausgang des Kompressors 14 ab. Die lieh gehalten, so daß ein relativ großer Wärmeanteil, Kältesaugleitung, die den Kompressor speist, verläuft der von den elektrischen Bauteilen einer Baugruppe durch den Wärmetauschermantel und erwärmt das erzeugt wird, in erster Linie durch Wärmeleitung und 60 Kühlmittel auf seinem Weg zum Kompressor. Im Bein zweiter Linie durch Strahlung über die wärme- trieb des Kühlsystems saugt der Kompressor 14 die leitenden vertikalen Platten an die Aluminiumstangen Dämpfe aus dem Verdampfer 12 ab und pumpt sie in abgeführt wird. Zusätzlich wird Wärme direkt von den Kondensor 16. Der Kompressor erhöht den den Kühlstangen aufgenommen oder indirekt über Druck und die Temperatur des Dampfes derart, daß die Baugruppen, Frontplatten und das Chassis. Die 65 der warme Dampf zu Flüssigkeit kondensiert wird, Wärme wird aus den Kühlstangen mittels eines flüs- wobei Wärme an Kühlwasser abgegeben wird, welsigen Kühlmittels abgeführt, welches durch die Kühl- ches durch die Kondensorleitungen 28 strömt. Es kanäle innerhalb der Stangen fließt. sind verschiedene Steuerventile vorgesehen innerhalb

der üblichen äußeren Kühlanordnung, da dieser Teil Platten 36 und der Frontplatte 48 zu den Stangen 32.

jedoch nicht zur Erfindung gehört, ist er nicht im ein- Der Aufbau der Speichergruppe ist im einzelnen in

zelnen beschrieben. der gleichzeitig eingereichten Erfindung des Erfinders

F i g. 2 zeigt Einzelheiten des Chassisaufbaues. mit dem Titel »Steckbare Speichergruppe« beschrie-Das Chassis 10 umfaßt einen Hauptrahmen 30, in 5 ben. Diese Speichergruppe ist mit der Anschlußtafel dem logische und Speicherbaugruppen untergebracht 56 (F i g. 2) verbunden, welche innerhalb der Tafel sind. Es sind eine Anzahl im Abstand voneinander 39 und durch Frontplatten 60 aus wärmeleitfähigem angeordneter Stangen 32 in Längsrichtung des Chas- Material von den Kühlstangen 32 im Abstand angesis mittels üblicher Einrichtungen mit dem Innenraum ordnet sind. Die Speichergruppe ist daher von den des Rahmens 30 verbunden. Diese Stangen sind aus io Stangen 32, den querverlaufenden Platten 38 (nicht einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt, dargestellt) der Tafel 39 und der Frontplatte 60 etwa aus Aluminium. Sie weisen im gleichen Abstand umgrenzt, so daß beim Speisen derselben die erangeordnete querverlaufende Schlitze 34 an den obe- zeugte Wärme in erster Linie durch Wärmeleitung ren und unteren Flächen auf. Zur Bildung einzelner von den Platten 38, 39 und 60 zu den Stangen 32 Abteile für jeweils eine Baugruppe sind eine Anzahl 15 gelangt.

Metallplatten 36 vorgesehen, die sich über die Breite Die Einzelheiten der Kühlstangen 32 sind aus

des Gestells erstrecken und vertikal innerhalb der Fig. 3 zu erkennen. Jede Kühlstange umfaßt ein Paar

Schlitze 34 liegen. Zur Bildung der einzelnen Abteile komplementärer, im wesentlichen L-förmiger Bereiche

für jeweils eine Baugruppe sind vertikale Platten38 32a und 32έ. Die horizontal zusammenpassenden

mit einer größeren Dicke als die Platten 36, die 20 Flächen dieser Bereiche sind mit fluchtenden, längs-

sich ebenfalls über die Breite des Rahmens 30 er- gerichteten Ausnehmungen 33 versehen, um einen

strecken, an den oberen bzw. unteren Flächen anein- Innenkanal innerhalb der Stange 32 zu begrenzen,

andergrenzender Stangen 32 befestigt. Die Trenn- durch den das Kühlmittel hindurchgelangen kann,

platten 38 sind ebenfalls aus einem hoch wärmeleit- Vorzugsweise ist der Innenkanal elliptisch gestaltet. In

fähigen Metall hergestellt. Die beiden Platten 36 und 25 Längsrichtung der Stangen 32 und innerhalb der Ka-

38 dienen als Wärmeabführplatten, wie weiter unten näle sind Kühlrohre 52 angeordnet. Jedes Kühlrohr

noch beschrieben ist. Die Abteile des Chassis 10 für ist vorzugsweise aus Kupfer hergestellt, obwohl auch

die Speichergruppe od. dgl. sind an einem Ende durch andere Stoffe hierfür verwendbar sind. Wenn das

eine wärmeleitfähige Metallplatte 39 abgeschlossen, Kühlrohr mit den Bereichen32«und32b zusammen-

die an dem Rahmen 30 befestigt ist, wobei Isolierstoff- 30 gebaut ist, wird das Rohr in eine elliptische Form ge-

klemmtafeln 44 (F i g. 3) an der Außenseite der Me- drückt, so daß es einen maximalen Kontakt mit den

tallscheiben 39 angebracht sind, um eine elektrische Bereichen hat und dadurch eine bessere Wärmeüber-

Verbindung der Speichergruppen od. dgl. zu er- tragung ergibt. Im Betrieb wird die an die Stangen 32

möglichen. abgegebene Wärme an die Kühlrohre 52 weitergege-

Fig. 3 zeigt eine logische Baugruppe und eine 35 ben, durch die das flüssige Kühlmittel fließt. Die

Speicherbaugruppe, die jeweils in ihren Betriebsstel- Wärme wird von dem Kühlmittel aufgenommen und

lungen innerhalb der Abteile untergebracht sind, dieses verdampft dabei. Da jede Baugruppe einzeln in

welche generell durch die Kühlstangen 32 und die einem getrennten Abteil untergebracht ist, bildet die

Platten 36 (nicht dargestellt) sowie durch die Stangen oben beschriebene bauliche Anordnung eine Einrich-

32 und die Platten 38 (nicht dargestellt) begrenzt sind. 40 tung zum Kühlen jeder logischen Baugruppe und

Die logische Baugruppe umfaßt eine gedruckte Schal- jeder Speichergruppe.

tung einschließlich der elektrischen Bauteile, die auf Die Verbindungseinrichtung der Kühlrohre 52 ineine Kunststoffoberfläche aufgesetzt sind, z. B. auf nerhalb der Kühlstangen 32 ist in Fig. 4 dargestellt, eine Epoxyharztafel. Die gedruckte Schaltung weist In dieser Figur sind eine Anzahl Abteile für logische eine Anzahl Anschlußfinger 42 ,auf, die in entspre- 45 Baugruppen gezeigt. Ein Teil des Rahmens 30 ist chende Öffnungen der Klemmentafel 44 eingreifen, fortgebrochen, so daß die Verbindungselemente für welche aus einem Blatt Isoliermaterial hergestellt ist die Rohre sichtbar sind. Die Kühlstangen 32 weisen und an den Flanschen 46 befestigt ist, die an der in Längsrichtung durch diese verlaufende Rohre auf, Oberseite und Unterseite der Stange 32 vorgesehen wie bereits beschrieben. Abwechselnde Paare von sind und das eine Ende des Abteils für die logische 50 Rohren sind an ihren Enden mittels Verbindungs-Baugruppe begrenzen. Die Befestigung ist als Schrau- elementen 62 verbunden. Durch diese Anordnung benbefestigung dargestellt, es kann jedoch .auch werden die Rohre in Serie geschaltet, so daß sie allirgendein anderes geeignetes Befestigungssystem ver- gemein S-förmig miteinander verbunden sind und das wendet werden. Die logische Baugruppe ist mit einer Kühlmittel in einer einzigen Bahn durch das Chassis einstückigen Frontplatte 48 aus hoch wärmeleitfähi- 55 fließt, so daß eine gleichmäßige Verteilung des Kühigem Material versehen, welche an die Außenkante mittels über das gesamte Chassis erfolgt. Obwohl der Baugruppe angesetzt ist, um die Baugruppe inner- lediglich eine einfache Serienanordnung beschrieben halb des Abteils vollständig einzuschließen, wobei die ist, können natürlich auch andere Fließanordnungen gesamte Einheit mittels geeigneter Einrichtungen an verwendet werden, indem die Kühlrohre in geeigneter den Kühlstangen 32 befestigt ist, etwa mittels Schrau- 60 Weise miteinander verbunden und die Kühleinrichben. Wenn die logische Baugruppe sich in der gezeig- tung entsprechend ausgebildet wird,
ten Stellung befindet, sind die Schaltungsteile in der Außer der Bildung einzelner Abteile für jede Baugruppe durch die Aluminiumstangen 32, die quer- logische und/oder Speichergruppe zum Verbessern verlauf enden Platten 36 (nicht dargestellt), die Isolier- der Kühlung derselben bringt die Anordnung der stofftafel 44 und die Frontplatte 48 umgeben. Wenn 65 wärmeleitenden Platten 36 und 38 in bezug auf die nun Energie an die logische Baugruppe geleitet wird, Aluminiumkühlstangen 32 noch den Vorteil mit sich, so daß in dieser Wärme entsteht, so gelangt die daß sie eine elektrische Abschirmung für die einzel-Wärme in erster Linie durch Wärmeleitung von den nen Baugruppen gegeneinander bilden, die in den

Abteilen liegen. Demgemäß wird ein Übersprechen zwischen den Baugruppen wesentlich verringert.

Die Erfindung läßt sich im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens noch in anderer und abgeänderter Weise ausführen. Zum Beispiel lassen sich an Stelle von zweistückigen Kühlstangen auch einstückige Kühlstangen verwenden mit einer durchgehenden Bohrung, um einen Innenkanal für das Kühlmittel zu bilden. Bei einer derartigen Ausbildung sind keine getrennten Kühlrohre erforderlich.

Claims

Patentansprüche:

1. Gekühlte elektronische Baugruppe mit einem

in zumindest zwei gegenüberliegenden Wandungen Kältemittelverdampferkanäle aufweisenden Gehäuse und mehreren in das Gehäuse einsetzbaren plattenförmigen Einschüben, die je eine elektronische Baueinheit, wie logische und/oder Speichergruppen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander gegenüberliegenden Kältemittelverdampferkanäle aufweisenden Wandungen (32) durch Zwischenwände (36) aus gut wärmeleitendem Material in Abständen entsprechend der Breite eines Einschubes miteinander verbunden sind.

2. Gekühlte elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen (32) im Abstand voneinander angeordnete, quer verlaufende Schlitze (34) haben, in die die Enden dieser vertikal sich erstreckenden Zwischenwände (36) eingesetzt sind; daß ferner an einer Seite jeder Baueinheit eine Tafel (44) aus Isoliermaterial angebracht ist, und daß wärmeleitfähige Platten (39, 48, 60) mit jeder Baueinheit und mit den Wandungen (32) verbunden sind, um die Baueinheiten vollständig zu umschließen.

3. Gekühlte elektronische Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähigen Platten als Frontplatten (48, 60) ausgebildet sind.

4. Gekühlte elektronische Baugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelverdampferkanäle (33) der einzelnen Wandungen (32) miteinander verbunden sind.

5. Gekühlte elektronische Baugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kältemittelverdampferkanälen (33) Kühlrohre (52) angeordnet sind, durch die das flüssige Kühlmittel hindurchgeleitet wird.

6. Gekühlte elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen (32) aus einem Paar komplementär ausgebildeter, im wesentlich L-förmiger Teile (32 a, 32 b) bestehen.

7. Gekühlte elektronische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelverdampferkanäle (33) elliptisch gestaltet sind und daß die Kühlrohre (52) im wesentlichen mit dem Umriß dieser Kanäle übereinstimmen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1140 613;
schweizerische Patentschrift Nr. 133 576.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen