DE1551415A1

DE1551415A1 - Waermeaustauscher mit mehreren Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE1551415A1
Application number: DE19671551415
Authority: DE
Inventors: Sevgin Oktay
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-06-07
Filing date: 1967-06-03
Publication date: 1971-03-04
Also published as: US3406244A; FR1521037A; JPS4318082B1; GB1126180A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING* H.E..BÖHMER

703 BOBLINCEN/WÜRTT. < SiNDELFINCER STHASSE 49

FERNSPRECHER (0703t) 613040 1 g Ej 1 A 1 C

Böblingen, 31« Mai 19S7 at-se

Anmeldert ^ International Business Machines

Corporation, Armonk, N,Y.

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 14 193

Wärmeaustauscher mit mehreren Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zur Kühlung eines wärmeerzeugenden Objektes, das in einem Behälter gelagert und von einer ersten Flüssigkeit, welche als Kühlflüssigkeit wirkt, umgeben ist. Derartige Wärmeaustauscher werden zweckmäßigerweise zur Kühlung von Kernspeichern und elektronischen Schaltungen in Rechenanlagen benutzt, um ein vom ümgebungsklima, den Programmen und den Betriebszustanden unabhängiges stabiles Arbeitsdiagramm zu bekommen ·

Es ist bekannt, daß Flüssigkeiten als Wärmeaustauscher zur Kühlung von Wärme erzeugenden Elementen (z.B. elektrische Transformatoren und Kondensatoren besonders in der Starkstromtechnik) verwendbar sind. In der amerikanischen Patentschrift 2,643_e282 iet eine Kühleinrichtung beechrleben, bei der ein Radio-Chassis

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einschließlich der Röhren in eine Kühlflüssigkeit gesetzt ist und bei welchem das,Kühlmittel in einem äußeren Kreis» welcher einen Kompressor und eine Kühlschlange einschließt, kondensiert und wieder zum Chassis zurückgeführt wird.

Ein anderes Verfahren zur Kühlung eines Transformators, welches das Konvektionsprinzip verwendet, ist in der amerikanischen Patentschrift 2,77^,807 beschrieben. Dabei sind die Transformatorwicklungen von einem flüssigen Kühlmittel, welches aus Fluor-Kohlenstoff besteht, umgeben und der Siedepunkt des Kühlmittels 1st so gewählt, daß er der Betriebstemperatur des Transformators entspricht. Der Ausgleichsraum im Transformatorgehäuse über der Kühlflüssigkeit ist mit einem nichtkondenslerbaren Gas, z.B. Schwefelhexafluorid SF 6 gefüllt. Der Mantel des Transformatorgehäuses ist mit einem Röhrensystem versehen, In welchem das erhitzte Kühlmittel infolge der Konvektion zirkuliert und kondensiert.

Es ist ferner eine Kühlanordnung bekannt, welche nach einem Verdampfungs-Schwerkraft-Prinzip arbeitet und bei welcher ein isomeres Gemisch, bestehend aus perfluoriertem cyclischen Äther

C₀F ,0, (bekannt unter dem Handelsnamen FC-75 der Fa. 3 M Comp.) 8 16

verwendet wird. Diese Flüssigkeit verdampft bei Erwärmung durch das wärmeerzeugende und zu kühlende Element und kondensiert später an einer kalten Platte·

DIt vorstehend kurz erwähnten Wärmeaustausehanordnungen, sowie 'Docket IU 193 10S810/03S3

_3f λ_? τ..·.-.; ■ . ' 1S514.TS

andere bekannte ähnliche Kühleinrichtungen sind noch mit wesentlichen Nachtellen behaftet. Z.B. ist es nicht erwünscht, daß elektronische Rechner, welche in der modernen Festkörpertechnik ausgeführt sind, Hochdruck-Kühlelnrlchtungen enthalten, da diese evtl. Störungen durch Undichtigkeiten, unerwünschtes Geräusch oder andere Probleme verursachen können. In Ktihlsystemen, welche nach dem Wärmeaustausch-Prinzip wirken, und bei denen kein äußerer Kompressor vorhanden ist, besteht der Nachteil einer ungenügenden Wärmeabfuhr von dem zu kühlenden Objekt durch die aufsteigenden Verdampfungsgase.

Die Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines neuen und verbesserten Wärmeaustauschers, bei dem die vorstehend erwähnten Nachteile und Probleme beseitigt sind und der keinen Kompressor zur Dampfkondensation in der Kühleinrichtung benötigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Flüssigkeit einen Siedepunkt hat, der wenigstens ungefähr der zulässigen Betriebstemperatur des zu kühlenden Objektes entspricht, daß der ersten Flüssigkeit mindestens eine zweite Flüssigkeit überlagert let, die eine kleinere Dichte und einen höherliegenden Siedepunkt hat als die erste Flüssigkeit, daß die beiden Flüssigkeiten sich nicht mischen, inert und beständig sind und daß die zweite Flüssigkeit auf möglichst gleicher Temperatur gehalten wird.

Weitere Merkmale und Vorzüge des neugeschaffenen Wärmeaustauschers sind, daß die Wirkung der Wärmeübertragung vom wärmeerzeugenden Element auf das Kühlmittel verbessert wird, dadurch, daß Docket 11 193 109810/0353

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das flüssige Kühlmittel, welches der ersten Flüssigkeit entspricht, direkt in Kontakt mit dem Wärmeerzeuger steht und siedet, daß dadurch eine erhöhte Dampfblasenbildung stattfindet und daß diese Dampfbläschen ohne Anwendung eines Kompressors oder eines sonstigen indirekten Wärmeaustauschers kondensieren· Die Kondensation der Dampfbläschen, die in der ersten und siedenden Kühlflüssigkeit entstehen, erfolgt durch Kerne, welche aus einer zweiten Flüssigkeit stammen, die der ersten, siedenden Flüssigkeit überlagert ist.

Der neugeschaffene Wärmeaustauscher ist besonders nützlich zur Kühlung elektronischer Bauelemente bzw. Baugruppen, wie sie z.B. in Rechnern benützt werden, weil der Wärmeaustauscher beim Umgebungsluftdruck und im Bereich nahe der Umgebungstemperatur arbeitet, so daß Undichtigkeiten im Kühlsystem weitgehend verhindert werden und eine Zugänglichkeit bei evtl. Änderungen leicht möglich ist.

Der erfundene Wärmeaustauscher hat im Prinzip folgenden Aufbau: Das zu kühlende und wärmeerzeugende Objekt (z.B. der Kernspeicher eines Rechners) steht in direktem Kontakt mit einer ersten Flüssigkeit und wird von dieser allseitig umgeben. Eine zweite Flüssigkeit ist der ersten Flüssigkeit an deren freien Oberfläche überlagert. Die erstgenannte Flüssigkeit hat vorzugsweise einen Siedepunkt, der bei normalem Luftdruck nur wenig über der UmgebungBraumtemperatur liegt und der ungefähr der zulässigen Betriebstemperatur des zu kühlenden Objektes entspricht.

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Wenn diese erstgenannte Flüssigkeit erwärmt wird, bilden sich in ihr aufsteigende Dampfbläschen, welche in der Grenzfläche, die sich zwischen den beiden verschiedenen Flüssigkeiten bildet, kondensieren« Dieser Wärmeübertragungs-Vorgang wird bei richtiger Abstimmung der in Wechselbeziehung zueinander stehenden Einflüsse erzielt. Die wesentlichen Einflüsse sind:

Die Art der Flüssigkeiten und ihre Mengen, die Oberflächengröße der Grenzfläche und die erzeugte Wärmemenge*

Für die zweite und zu überlagernde Flüssigkeit wählt man vorzugsweise in Abhängigkeit vom wärmeerzeugenden Objekt und der ersten Flüssigkeit eine bestimmte Temperatur, die möglichst konstant gehalten wird. Das erfundene Wärmeaustauschsystern ist so konstruiert, daß es bei normaler Umgebungstemperatur und bei normalem Luftdruck wirksam arbeitet.

Zur Kühlung der überlagerten zweiten Flüssigkeit ist ein äußeres Kühlsystem vorgesehen. Vorzugsweise besteht die überlagerte zweite Flüssigkeit - oder folgend Kondensationsflüssigkeit genannt aus Wasser oder Kieselsäureester. Für die erste Flüssigkeit oder folgend Siedeflüssigkeit genannt - ist eine dielektrische Flüssigkeit,z.B. Perfluordimethyl Zyklobutan zu verwenden.

Die Erfindung, ihre Merkmale und Vorzuüge werden besser verständlich anhand der folgenden Beschreibung und der Figuren 1-3 von Ausführungimustern gemäß differ Erfindung* Die Figuren stellen dar:

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Fig. 1 zeigt im Prinzip den kompletten Wärmeaustauscher. In einem Behälter ist z.B. der Kernspeicher eines Rechners gelagert und von einer dielektrischen Flüssigkeit umgeben, in welcher Dampfbläschen aufstei- · gen, welche in der Grenzfläche an der Überlagerungsstelle der beiden Flüssigkeiten kondensieren.

Flg. 2 zeigt im Querschnitt in einer anderen Anordnung die Erzeugung der Dampfblasehen, ihr Auftriebsverhalten, ihre Rückführung in die Grenzfläche und ihre Kondensation in der Grenzfläche.

Fig. 3 zeigt im Prinzip die Benützung von drei übereinander gelagerten Flüssigkeiten dies ermöglicht eine Kondensation des in der untersten Flüssigkeitsschicht erzeugten Dampfes in den verschiedenen Schichten.

Gemäß der Fig. 1 hat der flüssigkeitsdichte Behälter 11 oben eine öffnung, welche durch den Deckel 13 abgeschlossen ist. Der Kernspeicher 15 wird durch eine öffnung in der Seitenwand 17 des Behälters 11 eingeführt. Außen an der Seitenwand 17 ist die Anschlußleiste 21 für den Kernspeicher 15 mittels der Befestigungs schrauben 23 angeordnet, unter Verwendung einer Dichtung 19· Diese flüssigkeitsdiehte Anschlußleiste 21 hat die entsprechenden An- ■ schlußpunkte 25» die zu» Betrieb de» Kernspeicher» 15 erforderlich sind. Der Kernspeicher 15 t>e«t»ht in seinem Auftau as» einer Ansah!

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von Speicherebenen 31» welche sieh aus den Eahmen 33* den Ferritkernen 35 und den durch die Ferritkerne gefädelten Drähten 37 zusammensetzen.

Der Kernspeicher 15 ist von der erstgenannten Flüssigkeit 4l (Siedeflüssigkeit) umgebenj z.B. dem eingangs erwähnten Fluor-Kohlenstoff, dessen Siedetemperatur bei etwa 45 +_ 3 C liegt _Λ bei einem Luftdruck im Bereich von 620 - 857 Torr. Dieser erstgenannten Flüssigkeit ist an deren Oberfläche eine zweite Flüssigkeit (Kondensationsflüssigkeit) überlagert, vfelche eine relativ höhere Siedetemperatur hat als die erstgenannte Siedeflüssigkeit 41. Durch die überlagerung der beiden Flüssigkeiten bildet sich eine Grenzfläche 45 an der Übergangsfläche der beiden Flüssigkeiten. Aus den Fig. 1 und 2 ist zu ersehen» daß von dem wärmeerzeugenden Kernspeicher 15 in der ersten Flüssigkeit 41 drei verschiedene Dampfblasenreihen ^6, 47 und 48 aufsteigen. Die mittlere Dampfblasenreihe 4γ ist für den Wärmeaustausch am vorteilhaftesten, da die Dampfblaschen in der Grenzfläche 45 kondensieren, aufgrund der richtigen Abstimmung der verschiedenen Einflüsse. Die wesentlichen Einflüsse sind die Art der Flüssigkeit, die Flächengröße der Grenzfläche, die Siedetemperaturen der Flüssigkeiten, die Wärmeabsorptionen und die Mengen der Flüssigkeiten, die Umgebungstemperatur, der Luftdruck und die vom zu kühlenden Objekt erzeugte Wärmemenge, wobei in diesem Beispiel die Wärme von den im direkten Flüssigkeitskontakt stehenden Kernspeicherbauteilen (den Ferrit-Kernen, der Drahtflechtung und den Kahmen) erzeugt bzw. abgegeben wird. Die linke Dampfblasenreihe 46 zeigt eine

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zweite Kondensationsmethode, nach welcher die Dampfblasen nur zum Teil in der Grenzfläche und überwiegend in der darüber befindlichen zweiten Flüssigkeitsschicht - Kondensationsschicht - kondensieren. Die rechte Dampfblasenreihe 48 zeigt die vorstehend erwähnte Kondensation plus einer Kondensation der Dampfbläschen an der Oberfläche der zweiten Flüssigkeit - Kondensationsflüssigkeit -. Die verschiedenen Methoden der Kondensation werden später erklärt.

Zur Kühlung der Kondensationsflüssigkeit 43 ist eine äui^ere Kühleinrichtung vorgesehen, welche an die in der Seitenwand 17 des Behälters 11 befindlichen Ausgangsrohrstutzen 51 und L3nc;angsrohrstutzen 52 angeschlossen ist. In der Ausgangsleitung befindet sich ein trichterförmiger Anschluß 53» ein Reservetank ^k und eine Pumpe 55» welche durch den Motor 56 angetrieben wird. Die Fun. pe 55 drückt die im Tank 54 befindliche Flüssigkeit durch die Kühlschlange 57 zu dem thermostatisch gesteuerten Ventil 55. Die Kühlschlange 57 wird durch das Gebläse 58 beblasen und gekühlt. Kin Temperaturfühler 60 ist im oberen Bereich des hernppeicvherr 15 montiert und wirkt auf die Steuereinheit Cl₁ v.eicht α&ί- Kegelventil 59 betätigt und die An- und Abschaltung des Met or5 16 bewirkt. Vom Kegelventil 59 führt eine Leitung zum FJnf-,anr,srohi·- stutzen 52. Fs ist zweckmäßig, wenn die Umgebunpsluft der Anordnung ebenfalls temperaturgeregeIt ist.

Die vorstehend erwähnte Kühleinrichtung hat den Vorzug, daJ? sie an einer von Rechner entfernten Stelle aufstell'bar ist und uzu der Rechner und der-cen Umgebungsbereich nicht mit dieser Kühl- ' "'

SAD

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einrichtung belastet wird. In Bedarfsfällen ist es auch möglich, das eben erwähnte, äußere Kühlsystem durch ein sogenanntes Durchflie.Skühlsystenx zu ersetzen, in welchem temperaturgeregeltes Brunnen-, Leitungs- oder Flußwasser verwendbar ist, Uelter ist es mof-lich, die Kühlung- durch ein billiges, leicht verdampfendes flüssiges Edelgas vorzunehmen, das in geregelter Kenge durch den Anschluiistutzeri 53 in den Behälter 11 relanp.t und durch aen obon angebrachten Austrittsstutzen 63 abgeleitet wird. Auch eine indirekte Künluri^ dor oberen Flüssigkeit 43 1st au erv/ii^en. BoI diesen oekannten Kühlverfahren ist die Kühlschlange 66 von uer Kondensaticmoflüssif-keit 43 umgeben und das im Kühlsystem zirkulierende flüss.u e Kühlmittel verdampft in der Kühlschlange -6t>. DU:iit:i> Kühisyste..· 6t> entrvj.lt in seinen äui-er.jn Kreis waiter den Vera leiter 67, den Kondensator 6P- und das tempsratur^arer.olt*? V.-nlll 6^fJ, -

Es i.-.t -jrol-chtlicl;·., daß 'iie\ das ^irr.eerseu-gonde und /,u i.ühlenae JbJykt ui:i£2bend2 «rjte und wärnii>absorbier?2nde Flüssigkeit alnen rr.öglichst niederen Cledspunkt aufvielst, ν;ie zura Beispiel DIf luoralciilorraethrtn Cr'-jCL^, Tails die der ersten Fluäsi^k-ilt :.iU3 ges-sts'teii elektrischen Bauteile (a»B. Schal tunken, il-itateilö una andere Bauelements) luareichertil isoliert di mi, 1^t eln-i η lohediölektrlichs &'lü33ii;kelt verbindbar. V/snri dio Uärmev;r^3U^un₍~ ü33 zu kühlenden übjakts ausreichend /,roß tat, wie -i.iL· bei. Tranaformatttren, oder bei Karnreaktor-Ixiätallationin let C]U3Ckaliber ils enta PlUijalgkeit - .SiaUsflüaalclcelb - .ire-a-ilgnefc.. Für ·11ο zweite, bzw. dia Koudsna^tLons-flilssigkslt ¹H, boafc-sht dia Forderuni;, dao

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Dooktt n 193 10*810/0383.

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diese sich nicht mit der·ersten und .wärmeabsortierenden Siedeflüssi^keit 41 mischt, -daß sie ein leichteres-,spezifisches Uei/icht hat und einen merklich höheren Siedepunkt aufweist als die.erste Flüssigkeit 41. .-..,. ......

Benützt jnan ,z.B. quecksilber als Siedeflüsaigkeit ..¹Il, dann -iJt es zweckmäßig, als !Condensations!" Lässigkeit .43..flüssigen Stickstoff od-ar Polyphenyl zu verwenden. Bei Kernreaktoren oder ähnlichen Anlagen 1st es, zweckr.äßig, als Siedeflüssigkeit ¹H flüssiges Kalium und als Kondensationsf lüssi^keit 43 die leichtere un J flüssige Kalium-Natrium-Verbindung zu benützen. - ■ .

Nachstehend-wird- die Fig, 2 erläutert.. In dem Inneren Behälter 73 1st unten ebenfalls Jas--wärmeerzaugtinrie Objekt /¹O, z.B. ein Kernspeicher öler ein anderes elaktronisehas Bauteil angeordnet. Dia- sa wird ./ledarum von der ersten Flü^slrkeit 7/, welche einen relativ niederen Siedepunkt aufweist, umgeben. Dieser Flüssigkeit 77 !dt d-te- Kond-sn3.ation3flü3sigkelt 75 überlagert. .Aus dieser Anor,inuri_t5 1st -ersichtlich, da^ aurch dia l/y'nde des Behältern 7 3 eine W-'irasiibertragung durch Leitung no^lich ist, da die Beh'ilterwinde aiu Kupfer bejtehin, !.U;; elektrische und wirme^tz^urairli Bauteil l3t mit dsn zwei Anschluß-I^Ltungan 'Urutid 3 3 versahen, die-durch die Slaü if liisslbkalt Jf₃ durch did S^ltenwäride 73 d-3 3 inn-.-ran B.;hälteri und .iur :h lie /inüe des äuüeron Beh^ltsrs B5 geführt .3livl. Diese Anschluiil-iitJn/,υΛ ^l ^n.1 83 sind isoliert, falls dia Flü33i/k3it 11 tii-3ht--'-ilel-3ktrl33h 1st, Das <:;l3lchi V₁Ut für die -sliktroni j-jhin Baualfinente u3.i -/ärmeerzjus^nden BautaLls VU "Zur· Abführung dar in die Kondimsatl-cnafnjslgkelt l'j übertra«

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genen Wärme ist oben in der Kondensationsflüssigkeitsschicht 75 eine Kühlschlange 87 angeordnet. Die Kondensationsvorgänge der beim Wärmeaustausch auftretenden Dampfbläschen in und über der Grenzfläche 89 werden, wie bereits erwähnt wurde, später in der Beobachtung, wenn die Wärmeerzeugung stufenweise erhöht wird, ausführlicher erläutert.

Die Kühlschlange 87 ist eine sekundäre Einrichtung und dient zur Wärmeabfuhr in dieser Wärmeaustausehanordnung. Der innere Kupferbehälter 73 hat in den Seitenwänden .in Höhe des Flüssigkeitsspiegels eine Anzahl Überlauföffnungen. Bei einer Erwärmung der Flüssigkeiten erfolgt eine Ausdehnung derselben, so daß die überschüssige Kondensationsflüssigkeit 75 an den Außenwänden des Behälters 73 herabläuft und diese benetzt. Diese herabtriefende Kondfcnsationsflüssigkeit 75 wird in einem Sammelbecken 93 im äußeren Behälter 85 aufgefangen und bei Erreichung eines bestiu..ν■■=""' Tegels durch die Pumpe 97 abgesaugt und dabei über ein äußeres Kühlsystem 99 geführt. Dieses Kühlsystem 99 kann benachbart oder in einer größeren Entfernung vom Rechner montiert sein. Die gekühlte Kondensatlonsflüssigkeit 75 wird durch die Pumpe 97 dem Verteiler 101 zugeleitet, welcher die gekühlte Flüssigkeit nahe der Grenzfläche 89 der Kondensationsschicht 75 wieder zuführt. Die kleinen Pfeile am Verteilerausgang deuten an, daß die zurückgeführte und gekühlte Kondensationsflüssigkeit direkt in die Grenzfläche 89 gesprüht wird, so daß die aufsteigenden Dampfbläschen frühzeitig und in dieser kondensieren. Die beiden Behälter und 65 sind durch einen einzigen Deckel IO3 abgedeckt. Die Abstandstolzen 105 oder andere Mittel gewährleisten den vertikalen Abstand _T , „. „., 109810/0363 _BAD ORlGlNAt

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der beiden Behälter zueinander. Der seitliche Abstand zwischen-den beiden Behältern ist sehr klein, er beträgt ca. 1,6 mm und ist in der Fig. 2 übertrieben groß dargestellt. Der überlauf des Behälters 73 dient natürlich auch zur Kühlung des inneren Behälters und seines Inhalts. Die in der Fig. 2 dargestellten Dampfblasenreihen 46, 47 und 48 sind ähnlich den in der Fig. 1 dargestellten Dampfblasenreihen. Durch die überlaufanordnung und dadurch, daß die überlaufende Kondensationsflüssigkeit so gewählt ist, daß sie eine große Wärmeaufnahmefähigkeit hat, wird die Wirksamkeit des Wärmeaustauschers beachtlich erhöht.

Es wurde bereits erwähnt, daß die Kondensationsflüssigkeit vorzugsweise aus Wasser oder Kieselsäureester bestehen soll. Weiterhin sind geeignet, bekannte wenig korrosive Kühl- und Hydraulikflüssigkeiten für elektronische Geräte, deren Siedepunkt bei 215⁰C liegt, (z.B. Coolanol 45, Warenzeichen der Fa. Monsanto). Die Oberflächenspannungswerte der zwei Flüssigkeiten (Wasser und Kieselsäureester) sind voneinander sehr verschieden (Wertangabe in Dyn pro cm) 25 und 72. Somit sind die Dampfbläschen der zuletztgenannten Flüssigkeit kleiner.

Für die erste, bzw. die Siedeflüssigkeit 41, 77 ist vorteilhafterweise' Perfluordimethyl Zyklobutan oder Fluor-Kohlenstoff (FC 78, Warenzeichen der Fa. 3 M Comp.) zu verwenden, deren Siedepunkt im Temperaturbereich 50 £ 5 ⁰C liegt. Die Kondensationsflüssigkeit 43, 75 darf sich im wesentlichen nicht mit der Siedeflüssigkeit 41, 77 vermischen.

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Auch das bereits erwähnte Wärmeaustauschsystem, das auf der Verwendung flüssiger Metalle (Kalium-Natrium) basiert, hat eine Grenzfläche, da die Siedeflüssigkeit gesättigt ist, (das geschmolzene Kondensationsmaterial ist in einer Menge vorhanden, welche die Lösbarkeit überschreitet). Als Kondensationsmaterial ist es auch möglich, flüssiges Natrium zu verwenden und als Siedematerial eine Flüssigkeit, welche ein größeres spez. Gewicht hat und einen niedriger liegenden Siedepunkt als das Natrium. Eine Anwendungsmöglichkeit für derartige Wärmeaustauscher, bei denen als Kondensationsflüssigkeit geschmolzenes Natrium verwendet wird, ist z.B. gegeben bei Tiefsee-Projekten oder bei Weltraumobjekten aufgrund der dabei auftretenden Temperaturen und atmosphärischen Drücke. Auch bei derartigen Wärmeaustauschern ist das Prinzip gewahrt, daß eine Kondensation im Bereich der Grenzfläche stattfindet; dabei bewegt sich von dem schweren und geschmolzenen Material der Wärmefluß in Richtung Grenzfläche zur Kondensationsschicht, die aus einem leichteren, flüssigkeitsähnlichen Material besteht. Unter Bildung von gasähnlichen Zuständen findet die Kondensation statt.

Die Entwicklung der Dampfbläschen ist in der Fig. 2 zwecks besserer Anschaulichkeit etwas vergrößert und schematisch dargestellt. Dabei entspricht die mittlere Dampfblasenreihe 47, bei der die Dampfbläschen in der Grenzfläche 89 kondensieren, der vorteilhaftesten Ausführung, da diese den besten Wärmeaustausch und am wenigsten Komplikationen zur Folge hat. Wenn ein aufsteigendes Dampfbläschen in die Grenzfläche gelangt, bildet sich ein zeitweiliger Gleich-. gewichtszustand aus, so daß das Bläschen in der Grenzfläche schwebt

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und in Kontakt rait der kühleren Kondensationsflüssigkeit kommt, wobei ihm Wärme entzogen wird. Durch die Abkühlung und den Druck der Kondensationsflüssigkeitsschicht implodiert das Dampfbläschen und kondensiert zu Siedeflüssigkeit.

Eine aus der Siedeflüssigkeit aufsteigende Dampfblasenreihe zerfällt in der Grenzfläche in eine Anzahl kleiner Bläschen, die, wie vorstehend erwähnt wurde, in der Grenzfläche schweben und dadurch eine große Oberfläche bil'den und damit einen guten Kontakt zu der Kondensationsflüssigkeit herstellen. Es wurde bereits erwähnt, daß eine Wechselbeziehung zwischen der Siedeflüssigkeit, Kondensationsflüssigkeit, der Wärmeerzeugung usw. besteht und daß eine Abstimmung der verschiedenen Paktoren aufeinander erforderlich ist, um zu erreichen, daß die aufsteigenden Dampfblasenreihen in der Grenzfläche sich auflösen und daß die Bläschen dort kondensieren. Die erzeugten Dampfbläschen sind in manchen Fällen nicht alle gleich» Dadurch 1st es möglich, daß eine unterschiedliche Kondensation stattfindet. In Abhängigkeit von der Wärmeerzeugung bilden sich in der Siedeflüssigkeit zunächst kleine Dampfbläschen, welche sich in etwa horizontaler Richtung bewegen und die sich dabei dann zu größeren Dampfbläschen zusammenschließen. Diese größeren Dampfbläschen bilden sich also durch die Verschmelzung einer Anzahl kleiner Dampfbläschen, so lange, bis genügend Auftrieb entwickelt wird, der ausreichend ist, daß diese größeren Dampfbläschen sich durch die Grenzfläche in die darüber befindliche Kondensationsschicht bewegen. Ein ähnlicher Vorgang kann sich auch bei der Auflösung der aus der Siedeflüesigkeit aufsteigenden Dampfblasenreihen (bestehend aus einer Reihe kleiner Dampfbläschen)· ergeben, wenn

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die in der Grenzfläche nacheinander anfallenden kleinen Dampfbläschen sich zu einer größeren Dampfblase zusammenschließen, so lange, bis diese dadurch genügend Auftrieb bekommt, um von der Grenzfläche in die darüberliegende Kondensationsflüssigkeit aufzusteigen. Dieser Vorgang wirkt quasi so, als ob in der Siedeflüssigkeit durch das elektrische Bauteil eine größere Wärme erzeugt worden wäre. Das Merkmal dieser zweiten Kondensationsart ist, daß die kleinen Dampfbläschen in der Grenzfläche und die größeren Dampfbläschen in der darüber befindlichen Kondensationsflüssigkeit kondensieren. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, daß eine geringe Anzahl von größeren Dampfbläschen bis zur Oberfläche der Kondensationsflüssigkeit aufsteigt und daß sie dann dort kondensieren. Es ist somit verständlich, daß bei einer stärkeren Wärmeerzeugung durch die wärmeerzeugenden und zu kühlenden Objekte die Dampfbläschenkondensation nach dem zweiten Kondensationsverfahren zunimmt. Dabei ist es auch möglich, daß eine kleine unbedeutende Anzahl von Dampfbläschen den Oberflächenspiegel der Kondensationsflüssigkeit durchbricht und in den darüber befindlichen Raum gelangt, jedoch ist dies bei einem richtig abgestimmten Wärmeaustauscher eine Ausnahme. Es bestehen Anwendungsmöglichkeiten für solche Fälle, bei denen der Austritt der Dampfbläschen aus der Flüssigkeitsoberfläche erzwungen wird, z.B. durch Verwendung dünner Flüssigkeitsschichten und durch eine größere Wärmeerzeugung. In diesem Fall wird der austretende Dampf zu einem entfernt aufgestellten KondensatIons- und Kühlsystem geleitet. In der Fig. 1 ist zum Beispiel ein derartiges System dargestellt, bei dem der erzeugte Dampf durch den Ausgangsrohrstutζen 51 zu der Kondensa-

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tions-, Kühl- und Verdichtungseinrichtung geleitet wird. In der Fig. 2 ist bei der linken und rechten Dampfblasenreihe 46, 48 durch Pfeile angedeutet, daß sich die in der Kondensationsflüssigkeit aufsteigenden Dampfbläschen in Form von kugelförmigen Kondensationströpfchen abwärts bewegen. Diese in der Kondensationsflüssigkeit abwärts sinkenden kugelförmigen Kondensationströpfchen bestehen aus einer Mischung, die Anteile der Siedeflüssigkeit in flüssigem und im dampfförmigen Zustand enthält. Die Abwärtsbewegung der kugelförmigen Kondensationströpfchen ist beobachtbar, aber eine angemessene Erklärung hierfür ist nur theoretisch möglich und hier nicht erforderlich. Anhand der Fig. 3 wird diese Abwärtsbewegung der kugelförmigen Kondensationströpfchen beschrieben. Hierzu ist zu bemerken und auch zu beobachten, daß die in Richtung Grenzfläche absinkenden kugelförmigen Kondensationströpfchen dabei ihre Größe verringern.

Die Fig. 3 zeigt, daß in einem Behälter 111 drei Flüssigkeiten übereinander angeordnet sind (Dreiflüssigkeitssystem). Da die zweite Flüssigkeitsschicht 113 keine ausreichende Wärmekapazität hat, welche gewährleistet, daß alle Dampfbläschen in ihr kondensieren, wurde noch die dritte Flüssigkeitsschicht 115 hinzugefügt. Die, die zweite Flüssigkeit durchschreitenden Dampfbläschen, kondensieren jetzt in der zweiten Grenzfläche 121, welche sich zwi-Bchen der zweiten und der dritten Flüssigkeitsschicht 113 und 115 bildet. Die von dem wärmeerzeugenden Objekt 117 in der untersten Flüssigkeitsschicht erzeugten Dampfblasenreihen kondensieren vorzugsweise in der Grenzfläche 119» welche sich zwischen der ersten und der zweiten Flüssigkeitsschicht 116 und 113 ausbildet. An der

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Grenzfläche 121 kondensieren im wesentlichen die größeren Dampfbläschen, welche die erste Grenzfläche 119 durchschritten haben oder die sich in dieser Grenzfläche bilden. Die Siedepunkte der drei Flüssigkeiten sind so aufeinander abgestimmt, daß sich diese Funktion der Kondensation in den 2 Grenzflächen ergibt. Bei der Auswahl der Flüssigkeiten sind Betrachtungen über die Löslichkeit, die Siedepunkttemperaturen, die Verträglichkeit und die Beständigkeit in der Grenzfläche sehr wichtig.

Für einen Wärmeaustauscher, der auf dem Dreiflüssigkeitsprinzip basiert, sind die bereits erwähnten" Flüssigkeiten Coolanol 45⁺, Wasser und FC 78⁺ geeignet. + Dabei ist Coolanol k5 das Warenzeichen für eine Kühl- und Hydraulikflüssigkeit der Fa. Monsanto und FC 78 ist ein Warenzeichen der Fa. 3 M Comp. Bei geeigneten Druckverhältnissen können auch die 3 Xylole (meta, para und ortho) oder Stickstoff, Sauerstoff und Argon in flüssigem Zustand verwendet werden. Natürlich sind auch Sauerstoff und Argon geeignet für den Zweiflüssigkeits-Wärmeaustauscher, welcher bereits vorstehend beschrieben wurde. Für Zweischicht-Wärmeaustauscher, bei denen geschmolzenes Metall verwendet wird, sind die folgend genannten Metallpaare geeignet: Cadmium-Eisen, Blei-Zink, Chrom-Wismut und Blei-Eisen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 wird auf die linke Dampfblasenreihe 125 verwiesen, welche die vorteilhafteste Art der Kondensation in der Grenzfläche II9 darstellt, wie dies bereits vorstehend beeehritben wurde. Die mittlere Dampfblaeenreine 127 besteht in

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ihrem unteren Teil im Bereich der Siedeflüssigkeit 116 aus Bläschen kleinen Durchmessers, in der mittleren Flüssigkeitsschicht sind die Dampfbläschen größer, außerdem sind dort noch absinkende oder rückfallende kugelförmige Kon&ensationströpfchen sichtbar. Eines dieser rücksinkenden kugelförmigen Kondensationströpfchen ist auf der linken Seite der Fig. 3 vergrößert dargestellt, dabei stellt der halbmondförmige Teil den Anteil der Siedeflüssigkeit dar und der kleine Kreis kennzeichnet die gasförmige Sphäre. Dieses Phänomen ist noch nicht klar verständlich. Eine Kondensation der größeren Dampfbläschen an der Grenzfläche 121 ergibt Flüssigkeitströpfchen, die in die unterste Flüssigkeitssehicht 116 zurückkehren. Die rechte Dampfblasenreihe 129 bildet sich in der ersten Flüssigkeitsschicht 116 aus kleinen Dampfbläschen, die dann, wie bereits vorstehend beschrieben wurde, in der ersten Grenzfläche 119 sich zu größeren Dampfbläschen zusammenschließen, welche die Grenzfläche 119 durchstoßen und in der zweiten Flüssigkeitsschicht 113 weiter aufsteigen und dann als kugelförmige Kondensationströpfchen in diese Flüssigkeitsschicht wieder zurücksinken, über dem Behälter 111 ist vergrößert ein rücksinkendes doppeltes Kondensationströpfchen 133 dargestellt, es enthält je zwei Plüssigkeits- und Gassphären aus der ersten und siedenden Flüssigkeit 116 wie bereits beschrieben wurde in einer anderen einhüllenden Flüssigkeits-Sphäre. Bei der linken Dampfblasenreihe 125 ist zu ersehen, daß sich in der Grenzfläche 119 kleine Dampfbläschen gebildet haben, die sich horizontal bewegen und evtl. kondensieren oder sich zu einer größeren Dampfblase zusammenschließen können.

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Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen, daß durch diese Erfindung die Mangel und Nachteile vermieden werden, die sich bei einer reinen Dampferzeugung in einer einzigen Flüssigkeit ergeben. Bei der vorliegenden Erfindung ist wesentlich, daß die Dampfbläschen in die Flüssigkeit eingeschlossen sind und in der Flüssigkeit kondensieren und somit einen guten Wärmeaustausch bewirken. Um jedoch einen guten Wärmeaustauscher zu bekommen, werden im Vergleich zu der Siedeflüssigkeit von der überlagerten Kondensationsflüssigkeit die folgenden wesentlichen Eigenschaften gefordert :

Eine niedrigere spezifische Dichte, ein höherer Siedepunkt, weiter eine chemische und inerte Verträglichkeit, eine höhere spezifische Wärmekapazität und keine Mischbarkeit.

Die verschiedenen Eigenschaften der einander zu überlagernden Flüssigkeiten stehen in Wechselbeziehung zueinander und sind so aufeinander abzustimmen, daß die bei der Wärmeerzeugung in der Siedeflüssigkeit entstehenden kleinen Dampfbläschen in reihenförmiger Form in etwa vertikaler Richtung in die Grenzfläche aufsteigen und sich in dieser dann in horizontaler Richtung auseinander bewegen und kondensieren. Im Effekt sind die Dampfbläschen immer von Flüssigkeit umschlossen. Die angestrebte fortlaufende Kondensation der Dampfbläschen wird dadurch wesentlich erleichtert, daß man eine Kühlung der Kondensationsflüssigkeit vornimmt, wobei das Kühl-Aggregat evtl. an einer entfernten Stelle sich befinden kann. Zur Kühlung von wärmeerzeugenden elektronischen oder elektrisch nicht isolierten Objekten ist eine relativ

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dünne Schicht einer hochqualifizierten dielektrischen Siedeflüssigkeit, welche als Kühlflüssigkeit wirkt, erforderlich.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Beispielen näher erläutert, welche einige vorteilhafte Anwendungen aufzeigen. Es wird jedoch verstanden, daß es noch eine größere Anzahl weiterer Anwendungsfälle gibt, die in den Bereich des Erfindungsgedankens fallen.

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Claims

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1. Wärmeaustauscher zur Kühlung eines v/änteerzeugenden Objektes, das in einem Behälter gelagert und von einer ersten Flüssigkeit, welche als Kühlflüssigkeit wirkt, umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit einen Siedepunkt hat, der wenigstens ungefähr der zulässigen Betriebstemperatur des zu kühlenden Objektes entspricht, daß der ersten Flüssigkeit mindestens eine zweits Flüssigkeit überlagert ist, die »ine kleinere Dicht? und ainen hCherliegonden Siedepunkt hat als die erste Flüssigkeit, d*ft die beiden Flüssigkeiten 3ich nicht mischen, inert und beständig sind und daß- dia zwalta Flüssigkeit auf möglichst gleicher Temperatur gehalten wird,

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überlagerte aweita Flüssigkeit gegenüber der ersten Flüssigkeit eine srSßere wärmekapazität hat.

3, wärmeaustauscher nach Anspruch 1 und 2, daduroh gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit eine hohe dielektrische Konstante aufweist, falls sie in Kontakt mit einem elektronischen und/oder einem elektrisch nicht isoliertem Bauteil steht.

4, wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche i bis 3· dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung elektronischer Objekte als erste Flüssigkeit Perfluordlmethyl Zyklobutmn, Difluordiohlor- aethan oder Fluorkohlenstoff und ale zweite

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Flüssigkeit Wasser oder Kieselsäureester verwendet wird.

5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung elektrischer Objekte als erste Flüssigkeit flüssiger Sauerstoff und als zweite Flüssigkeit flüssiges Argon oder daß als erste Flüssigkeit Quecksilber und als zweite Flüssigkeit Polyphenyl oder flüssiger Stickstoff verwendet wird·

6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung von hohen temperaturerzeugenden Objekten (Kernreaktoren) geschmolzene flüssige Metalle und/oder Metallverbindungen als erste und/oder zweite Flüssigkeit einander überlagert werden.

7« Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Flüssigkeitsschichten einander überlagert werden und daß die Flüaaigkeitsschichten aus flüssigem Stickstoff, flüssigem Sauerstoff und flüssigem Argon bestehen.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 und Figur 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Kühlsystem (51 - 61 oder 53 - 63 oder 65) vorgesehen ist, das die zweite Flüssigkeit (43) auf möglichst gleicher Temperatur hält·

9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 und Figur 2, daduroh gekenn-r ••Ichnet, daA der Behälter (73) in Spiegelhöh· der «weiten Flüssigkeit (75) Überlauföffnungen hat, da* durch dl· bei Er-

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wännung auftretende Ausdehnung der Flüssigkeiten die Überlaufende Flüssigkeit die äußeren Behälterwände benetzt, so dai6 dadurch eine zusätzliche Kühlung erzielt wird, daß die Überlaufflüssigkeit aufgefangen (105), gekühlt und wieder der zweiten Flüssigkeitsschicht in der Nähe der Grenzfläche (89) der beiden Flüssigkeiten zugeführt wird und daß der Behälter (73) von einem zweiten äußeren Behälter (85) umgeben ist.

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