DE1551415B - Wärmetauscher mit mehreren Flüssigkeiten zur Kühlung eines wärmeerzeugenden Objektes - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Ein anderer Wärmetauscher für elektrische Bau-Kühlung eines in einem Behälter gelagerten wärme- gruppen und Transformatoren, bei dem ebenfalls erzeugenden Objektes, das von einer ersten Flüssig- einander überlagerte Flüssigkeiten verwendet werkeit umgeben ist, der mindestens eine zweite Flüssig- den, wurde durch die USA.-Patentschrift 2 214 865 keit überlagert ist, die eine größere spezifische 5 bekannt. Das zu kühlende elektrische Objekt ist in Wärmekapazität aufweist als die erste Flüssigkeit, eine erste Flüssigkeitsschicht eingesetzt, die z. B. aus wobei die beiden Flüssigkeiten sich nicht mischen, aromatischen Halogenkohlenwasserstoffen bestehen inert und beständig sind. Derartige Wärmetauscher kann. Der Siedepunkt der Flüssigkeit in der zweiten werden zweckmäßigerweise zur Kühlung von Kern- Flüssigkeitsschicht ist so gewählt, daß er etwa der speichern und elektronischen Schaltungen in Rechen- io zulässigen Betriebstemperatur des zu kühlenden anlagen benutzt, um ein vom Umgebungsklima, den Objektes entspricht. Beim Betrieb wird die vom zu Programmen und den Betriebszuständen unabhängi- kühlenden Objekt abzuführende Wärme durch die ges stabiles Arbeitsdiagramm zu bekommen. erste Flüssigkeit auf die überlagerte zweite Flüssig-

Es ist bekannt, daß Flüssigkeiten als Wärme- keit übertragen, welche in Abhängigkeit von der zu-

tauscher zur Kühlung von wärmeerzeugenden elek- 15 geführten Wärmemenge verdampft und dabei die

trischen Baugruppen (z. B. elektrischen Transforma- Wärme der Kühlanordnung entzieht. Die verdampfte

toren und Kondensatoren) besonders in der Stark- Flüssigkeit wird selbsttätig von einem Reservoir er-

stromtechnik verwendbar sind. In der USA.-Patent- setzt.

schrift 2 643 282 ist eine Kühleinrichtung be- Eine derartige Kühlanordnung ist bei elektronischrieben, bei der ein Radio-Chassis, einschließlich 20 sehen Datenverarbeitungsanlagen ohne zusätzlichen der Elektronenröhren, in eine dielektrische, ver- Aufwand nicht verwendbar, da das Austreten von dampfbare Kühlflüssigkeit gesetzt ist, deren Siede- Dämpfen verhindert werden muß, um keine nachpunkt über der umgebenden Raumtemperatur und teilige Beeinträchtigung des Isolationswiderstandes in unter der maximal zulässigen Betriebstemperatur des den empfindlichen elektrischen Schaltungen zu beGerätes liegt. 25 kommen.

Ein anderes Verfahren zur Kühlung eines Trans- Die vorstehend kurz erwähnten Wärmetauscher formators, welches das Konvektionsprinzip ver- sowie andere bekannte ähnliche Kühleinrichtungen wendet, ist in der USA.-Patentschrift 2 774 807 be- sind noch mit wesentlichen Nachteilen behaftet. Zum schrieben. Dabei sind die Transformatorwicklungen Beispiel ist es nicht erwünscht, daß elektronische von einem flüssigen Kühlmittel, welches aus Fluor- 30 Rechner, welche in der modernen Festkörpertechnik kohlenwasserstoff besteht, umgeben, und der Siede- ausgeführt sind, Hochdruck-Kühleinrichtungen entpunkt des Kühlmittels ist so gewählt, daß er der halten, da diese eventuelle Störungen durch UnBetriebstemperatur des Transformators entspricht. dichtigkeiten, unerwünschtes Geräusch oder andere Der Ausgleichsraum im Transformatorgehäuse über Schwierigkeiten verursachen können. In Kühlder Kühlflüssigkeit ist mit einem nichtkondensier- 35 systemen, welche nach dem Wärmetausch-Prinzip baren Gas, z.B. Schwefel-Hexafluorid SF 6, gefüllt. wirken (z. B. gemäß der vorstehend erwähnten Der Mantel des Transformatorgehäuses ist mit einem Kühlvorrichtung nach der deutschen Patentschrift Röhrensystem versehen, in welchem das erhitzte 453 715), bei denen der Wärmetausch in einer Kühlmittel infolge der Konvektion zirkuliert und Grenzschicht von einander überlagerten Medien kondensiert. 40 stattfindet und bei denen kein äußerer Konmpressor

Durch die USA.-Patentschrift 3 024 298 wurde vorhanden ist, bestehen die Nachteile einer uneine Kühlanordnung bekannt, die nach einem Ver- genügenden Wärmeabfuhr von dem zu kühlenden dampfung's-Schwerkraft-Pririzip arbeitet und bei der Objekt, oder die Wärmetauschanordnung wird in ein isomeres Gemisch, bestehend aus perfluoriertem ihrem Volumen zu umfangreich und zu aufwendig, cyclischen Äther C₈F₁₀O (bekannt unter dem 45 Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen Handelsnamen FC-75 der Firma 3 M Comp.), ver- und verbesserten Wärmetauscher zu schaffen, der wendet wird. Diese Flüssigkeit verdampft bei Er- nur ein verhältnismäßig kleines Volumen aufweist, wärmung durch das wärmeerzeugende und zu bei dem das wärmeerzeugende Objekt im Wärmekühlende Objekt und kondensiert anschließend an tauscher angeordnet werden kann und bei dem die einer kalten Platte. 5° vorstehend erwähnten Nachteile und Probleme der

Durch die deutsche Patentschrift 453 715 wurde bekannten Wärmetauscher und Kühleinrichtungen

eine Vorrichtung zum unmittelbaren Wärmeaustausch beseitigt sind und der außerdem keinen Kompressor

zwischen zwei miteinander nicht mischbaren Flüssig- zur Dampfkondensation in der Kühleinrichtung be-

keiten bekannt, wobei die erste Flüssigkeit eine nötigt.

größere Dichte als die zweite Flüssigkeit aufweist. 55 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-Diese Vorrichtung besteht aus einem Behälter, in löst, daß beim Umgebungsdruck die erste Flüssigkeit dem eine Anzahl miteinander verbundener' Kanäle einen Siedepunkt aufweist, der tiefer liegt als die angeordnet ist, deren obere Seiten offen sind. Diese zulässige Betriebstemperatur des zu kühlenden Kanäle werden von der zu kühlenden ersten Flüssig- Objektes, daß der Siedepunkt der zweiten Flüssigkeit keit durchströmt, und die zweite Flüssigkeit, die in ⁶° höher liegt als der Siedepunkt der ersten Flüssigkeit diesem Falle als Kühlmittel und zur Ableitung der und daß die zweite Flüssigkeit auf möglichst gleicher "Wärme dient, durchströmt den Behälter, wobei sie Temperatur gehalten wird. Weitere Merkmale und die Kanäle umgibt. An der oben offenen Seite der Vorzüge des erfindungsgemäßen Wärmetauschers Kanäle findet eine gegenseitige unmittelbare Be- sind, daß die Wirkung der Wärmeübertragung vom rührung der beiden Flüssigkeiten statt und ein 65 wärmeerzeugenden Objekt auf das Kühlmittel verWärmeübergang längs der waagerechten Grenz- bessert wird, dadurch, daß das flüssige Kühlmittel, flächen der übereinander gelagerten Flüssigkeits- welches der ersten Flüssigkeit entspricht, direkt im schichten. Kontakt mit dem Wärmeerzeuger steht und siedet,

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daß dadurch eine erhöhte Dampfblasenbildung statt- Der Kernspeicher 15 ist von der Flüssigkeit 41 findet und daß diese Dampfbläschen ohne An- (Siedeflüssigkeit) umgeben, z. B. dem eingangs wendung eines Kompressors oder eines sonstigen in- erwähnten Fluorkohlenwasserstoff, dessen Siededirekten Wärmetauschers kondensieren. Die Kon- temperatur bei etwa 45 ± 3° C liegt bei einem Luftdehsation der Dampfbläschen, die in der ersten und 5 druck im Bereich von 620 bis 857 Torr. Dieser ersten siedenden Kühlflüssigkeit entstehen, erfolgt durch Flüssigkeit 41 ist an deren Oberfläche eine zweite Kerne, welche aus einer zweiten Flüssigkeit stammen, Flüssigkeit 43 (Kondensationsflüssigkeit) überlagert, die der ersten, siedenden Flüssigkeit überlagert ist. welche eine relativ höhere Siedetemperatur hat als Der neugeschaffene' Wärmetauscher ist besonders die Siedeflüssigkeit 41. Durch die Überlagerung der nützlich zur Kühlung elektronischer Bauelemente 10 beiden Flüssigkeiteri bildet sich eine Grenzfläche 45 bzw. Baugruppen, wie sie z. B. in Rechnern benützt an der Übergangsfläche' der beiden Flüssigkeiten, werden, weil der Wärmetauscher beim Umgebungs- Aus den Fig. 1 und 2 ist zu ersehen, daß von dem luftdruck und im Bereich nahe der Umgebungs- wärmeerzeugenden Kernspeicher 15 in der ersten temperatur arbeitet, so daß Undichtigkeiten im Kühl- Flüssigkeit 41 dreierlei Dampf blasenreihen 46, 47 system weitestgehend verhindert werden und eine 15 und 48 aufsteigen. Die mittlere Dampf blasenreihe 47 Zugänglichkeit bei eventuellen Änderungen leicht ist für den Wärmetausch am vorteilhaftesten, da die möglich ist. ' Dampfbläschen in der Grenzfläche 45 kondensieren.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher hat im Dieser Fall tritt ein bei richtiger Abstimmung der Prinzip folgenden Aufbau: Das wärmeerzeugende verschiedenen Einflüsse. Die wesentlichen Einflüsse und zu kühlende Objekt (z.B. der Kernspeicher eines 20 sind die Art der Flüssigkeit, die Größe der Grenzelektronischen Rechners einschließlich seiner Steuer- fläche, die Siedetemperatur der Flüssigkeiten, die schaltkreise) steht in direktem Kontakt mit einer Wärmeabsorption und die Mengen der Flüssigkeiten, ersten Flüssigkeit und wird von dieser allseitig um- die Umgebungstemperatur, der Luftdruck und die geben. Dieser ersten Flüssigkeit ist an deren freien vom zu kühlenden Objekt erzeugte Wärmemenge, Oberfläche eine zweite Flüssigkeit überlagert. Bei 25 wobei in diesem Beispiel die Wärme von den im einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher, der ins- direkten Flüssigkeitskontakt stehenden Kernspeicherbesondere zur Kühlung elektronischer Objekte dient, bauteilen (den Ferritkernen, der Drahtflechtung und die z.B. Transistoren, Dioden oder andere wärme- den Rahmen) erzeugt bzw. abgegeben wird. Die linke empfindliche Bauelemente enthalten, wird Vorzugs- Dampfblasenreihe 46 zeigt eine zweite Kondenweise für die erste Flüssigkeitsschicht eine Flüssig- 30 sationsmöglichkeit, nach welcher die Dampf blasen keit gewählt, deren Siedepunkt nur wenig über der nur zum Teil in der Grenzfläche und überwiegend in Temperatur des Umgebungsraumes bei normalem der darüber befindlichen zweiten Flüssigkeitsschicht Luftdruck liegt. 43 — Kondensationsschicht —- kondensieren. Die

Im folgenden werden unter Heranziehung der rechte Dampfblasenreihe 48 zeigt die vorstehend erzeichnerischen Darstellung die Ausbildung und 35 wähnte Kondensation plus einer Kondensation der Wirkungsweise des' erfindungsgemäßen Wärme- Dampfbläschen an der Oberfläche der' zweiten tauschers im einzelnen beschrieben. '^: ' Flüssigkeit. Die verschiedenen Arten der Konden-

Fig. 1 zeigt im Prinzip den kompletten Wärme- sation werden später besprochen. '
tauscher (in einem Behälter ist z. B. der Kernspeicher Zur Kühlung der Kondensationsflüssigkeit 43 ist eines Rechners gelagert und von einer dielektrischen 40 eine äußere Kühleinrichtung vorgesehen, welche ah Flüssigkeit umgeben, in welcher Dampf Waschen auf- die die Seitenwand 17 des Behälters 11 durchsteigen, welche in der Grenzfläche an der Über- dringenden Rohrstutzen 51 und 52 angeschlossen ist. lagerufigsstelle der beiden Flüssigkeiten konden- In der Ausgangsleitung 51 befinden sich ein trichtersieren); förmiger Anschluß 53, ein Reservetank 54 und eine

F i g. 2 zeigt im Querschnitt in einer anderen An- 45 Pumpe 55, welche durch den Motor 56 angetrieben

Ordnung die Erzeugung der Dampfbläschen, ihr wird. Die Pumpe 55 drückt die im Tank 54 befind-

Auftriebsverhalten, ihre Rückführung in die Grenz- liehe Flüssigkeit durch die Kühlschlange 57 zu dem

fläche uhd ihre Kondensation in der Grenzfläche; thermostatisch gesteuerten Ventil 59. Die Kühl-

Fig. 3 zeigt im Prinzip die Verwendung von drei schlange 57 wird durch das Gebläse58 beblasen und übereinander gelagerten Flüssigkeiten; dies ermög- 50 gekühlt. Ein'Temperaturfühler 60 ist im oberen Belicht eine Kondensation des in der untersten Flüssig- reich des Kernspeichers 15 montiert und wirkt auf keitsschicht erzeugten Dampfes in den verschiedenen die Steuereinheit 61, welche das Regelventil 59 be-Schichten. tätigt und die An- und Abschaltung des Motors 56

Gemäß F i g. 1 ist der flüssigkeitsdichte Behälter bewirkt! Vom Regelventil 59 führt eine Leitung zum

11 oben durch den Deckel 13 abgeschlossen. Der 55 Eingangsrohrstutzen 52. Es ist zweckmäßig, wenn

Kernspeicher 15 wird durch eine Öffnung in der die Umgebungsluft der Anordnung ebenfalls tem-

Seiteriwand 17 des Behälters 11 eingeführt. Außen peraturgeregelt ist.

an der Seitenwand 17 ist die Anschlußleiste 21 für Die vorstehend erwähnte Kühleinrichtung hat den den Kernspeicher 15 mittels der Befestigungs- Vorzug, daß sie an einer vom Rechner entfernten schrauben 23 angeordnet unter Verwendung einer 60 Stelle aufstellbar ist und daß der Rechner und dessen Dichtung 19. Diese flüssigkeitsdichte Anschlußleiste Umgebungsbereich nicht mit dieser Kühleinrichtung 21 hat die entsprechenden Anschlußpunkte 25, die belastet werden. In Bedarfsfällen ist es auch möglich, zum Betrieb des Kernspeichers 15 erforderlich sind. das eben erwähnte äußere Kühlsystem durch ein so-Der Kernspeicher 15 besteht in seinem Aufbau aus genanntes Durchflußkühlsystem zu ersetzen, in einer Anzahl von Speicherebenen 31, welche sich 65 welchem temperaturgeregeltes Brunnen-, Leitungsaus den Rahmen 33, den Ferritkernen 35 und den oder Flußwasser verwendbar ist. Weiter ist es mögdurch die Ferrtikerne gefädelten Drähten 37 zu- lieh, die Kühlung durch ein billiges, leicht versammensetzen. dampfendes flüssiges Edelgas vorzunehmen, das in

geregelter Menge durch den Anschlußstutzen 53 in den Behälter 11 gelangt und durch den oben angebrachten Austrittsstutzen 63 abgeleitet wird. Auch eine indirekte Kühlung der oberen Flüssigkeit 43 ist zu erwägen. Bei diesem bekannten Kühlverfahren ist die Kühlschlange 66 von der Kondensationsflüssigkeit 43 umgeben, und das im Kühlsystem zirkulierende flüssige Kühlmittel verdampft in der Kühlschlange 66. Dieses Kühlsystem 65 enthält in seinem äußeren Kreis weiter den Verdichter 67, den Kondensator 68 und das temperaturgeregelte Ventil 69.

Es ist ersichtlich, daß die das wärmeerzeugende und zu kühlende Objekt umgebende erste Flüssigkeit einen möglichst niederen Siedepunkt aufweisen muß, wie z. B. Chlorfluorkohlenwasserstoff. Falls die der ersten Flüssigkeit ausgesetzten elektrischen Bauteile (z. B. Schaltungen, Netzteile und andere Bauelemente) ausreichend isoliert sind, ist eine nichtdielektrische Flüssigkeit verwendbar. Wenn die Wärmeerzeugung des zu kühlenden Objektes ausreichend groß ist, wie z. B. bei Transformatoren oder bei Kernreaktor-Installationen, ist Quecksilber als erste Flüssigkeit — Siedeflüssigkeit — geeignet. Für die zweite bzw. die Kondensationsflüssigkeit 43 besteht die Forderung, daß diese sich nicht mit der Siedeflüssigkeit 41 mischt, daß sie ein kleineres spezifisches Gewicht hat und einen merklich höheren Siedepunkt aufweist als die erste Flüssigkeit 41.

Benützt man z. B. Quecksilber als Siedeflüssigkeit 41, dann ist es zweckmäßig, als Kondensationsflüssigkeit 43 flüssigen Stickstoff oder Polyphenyl zu verwenden. Bei Kernreaktoren oder ähnlichen Anlagen ist es zweckmäßig, als Siedeflüssigkeit 41 flüssiges Kalium und als Kondensationsflüssigkeit 43 die leichtere und flüssige Kalium-Natrium-Mischung zu benützen.

Nachstehend wird die F i g. 2 erläutert. In dem inneren Behälter 73 ist unten ebenfalls das wärmeerzeugende Objekt 79, z. B. ein Kernspeicher oder ein anderes elektronisches Bauteil, angeordnet. Dieses wird wiederum von der ersten Flüssigkeit 77, welche einen relativ niedrigen Siedepunkt aufweist, umgeben. Dieser Flüssigkeit 77 ist die Kondensationsflüssigkeit 75 überlagert. Durch die Wände des Behälters 73 erfolgt eine Wärmeübertragung durch Leitung, da die Behälterwände aus Kupfer bestehen. Das elektrische und wärmeerzeugende Bauteil ist mit den zwei Anschlußleitungen 81 und 83 versehen, die durch die Siedeflüssigkeit 77, durch die Wand 73 des inneren Behälters und durch die Wand des äußeren Behälters 85 geführt sind. Diese Anschlußleitungen 81 und 83 sind isoliert, falls die Flüssigkeit 77 nicht dielektrisch ist. Das gleiche gilt für die elektronischen Bauelemente des wärmeerzeugenden Bauteils 79. Zur Abführung der in die Kondensationsflüssigkeit 75 übertragenen Wärme ist in dieser Flüssigkeitsschicht 75 eine Kühlschlange 87 angeordnet. Die Kondensationsvorgänge der beim Wärmetausch auftretenden Dampfbläschen in und über der Grenzfläche 89 werden, wie bereits erwähnt wurde, später ausführlicher erläutert.

Die Kühlschlange 87 ist eine sekundäre Einrichtung und dient zur Wärmeabfuhr in dieser Wärmetauschanordnung. 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. Die abtropfende Kondensationsflüssigkeit 75 wird in einem Sammelbecken 93 im äußeren Behälter 85 aufgefangen und bei Erreichung eines bestimmten Pegels 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 Kondensationsflüssigkeit 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 kondensieren. Die beiden Behälter 73 und 85 sind durch einen einzigen Deckel 103 abgedeckt. Die Abstandsbolzen 105 oder andere Mittel gewährleisten den vertikalen Abstand der beiden Behälter zueinander. Der seitliche Abstand zwischen den beiden Behältern ist sehr klein, er beträgt etwa 1,6 mm und ist in der F i g. 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 bilden sich ähnlich den in der F i g. 1 dargestellten Dampfblasenreihen aus. Durch die Überlaufanordnung und dadurch, daß die überlaufende Kondensationsflüssigkeit so gewählt ist, daß sie eine große Wärmeaufnahmefähigkeit hat, wird die Wirksamkeit des Wärmetauschers beachtlich erhöht.

Es wurde bereits erwähnt, daß die Kondensationsflüssigkeit vorzugsweise aus Wasser oder Kieselsäureester bestehen soll. Weiterhin sind geeignet wenig korrosive Kühl- und Hydraulikflüssigkeiten für elektronische Geräte, deren Siedepunkt bei 215° C liegt. Die Oberflächenspannungswerte der zwei Flüssigkeiten (Wasser und Kieselsäureester) sind voneinander sehr verschieden.

Für die Siedeflüssigkeit 41, 77 ist vorteilhafterweise Perfluordimethylzyklobutan oder Fluorkohlenwasserstoff zu verwenden, deren Siedepunkt im Temperaturbereich 50 ± 5⁰C liegt.

Auch das bereits erwähnte Wärmetauschsystem, 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 spezifisches Gewicht hat und einen niedriger liegenden Siedepunkt als das Natrium. Eine Anwendungsmöglichkeit für derartige Wärmetauscher, bei denen als Kondensationsflüssigkeit geschmolzenes Natrium verwendet wird, ist z. B. gegeben bei Tiefsee-Projekten oder bei Weltraumobjekten auf Grund der dabei auftretenen Temperaturen und atmosphärischen Drücke. Auch bei derartigen Wärmetauschern ist das Prinzip gewahrt, daß eine Kondensation im Bereich der Grenzfläche stattfindet.

Die Entwicklung der Dampfbläschen ist in der F i g. 2 zwecks besserer Anschaulichkeit etwas vergrößert und schematisch dargestellt. Dabei entspricht die mittlere Dampfblasenreihe 47, bei der die Dampf-

bläschen in der Grenzfläche 89 kondensieren, der vorteilhaftesten Lösung, da hierbei der beste Wärmetausch zustande kommt. Wenn ein aufsteigendes Dampfbläschen in die Grenzfläche gelangt, bildet sich ein zeitweiliger Gleichgewichtszustand aus, so daß das Bläschen in der Grenzfläche schwebt und in Kontakt mit 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 bilden 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 Faktoren 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 ist 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 dabei zu größeren Dampfbläschen zusammenschließen. Dieser Vorgang dauert so lange, bis der Auftrieb der Bläschen so groß geworden ist, daß sie durch die Grenzfläche in die darüber befindliche Kondensationsschicht eindringen. Ein ähnlicher Vorgang kann sich auch bei der Auflösung der aus der Siedeflüssigkeit aufsteigenden Dampfblasenreihen (bestehend aus einer Reihe kleiner Dampfbläschen) ergeben, wenn die in der Grenzfläche nacheinander anfallenden kleinen Dampfbläschen sich zu einer größeren Dampfblase zusammenschließen. 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 größerer 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 Dampf-,bläschenkondensation nach dem zweiten Kondensationsverfahren zunimmt. Dabei ist es auch möglich, .daß eine kleine unbedeutende Anzahl von Dampfbläschen den Spiegel der Kondensationsflüssigkeit durchbricht und in den darüber befindlichen Raum gelangt, jedoch ist dies bei einem richtig abgestimmten Wärmetauscher 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 F i g. 1 ist z. B. ein derartiges System dargestellt, bei dem der erzeugte Dampf durch den Ausgangsrohrstutzen 51 zu der Kondensations-, Kühl- und Verdichtungseinrichtung geleitet wird. In der F i g. 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 absinkenden kugelförmigen Kondensationströpfchen bestehen aus einer Mischung, die Anteile der Siedeflüssigkeit in flüssigem und dampfförmigem Zustand enthält. An Hand der F i g. 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 F i g. 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 durchdringenden Dampfbläschen kondensieren jetzt in der zweiten Grenzfläche 121, welche sich zwischen 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 Grenzfläche 121 kondensieren im wesentlichen die größeren Dampfbläschen, welche die erste Grenzfläche 119 durchbrochen haben oder die sich in dieser Grenzfläche bilden. Die Siedepunkte der drei Flüssigkeiten sind so aufeinander abgestimmt, daß sich dieser Ablauf der Kondensation in den 2 Grenzflächen ergibt. Bei der Auswahl der Flüssigkeiten sind Betrachtungen über die Löslichkeit, die Siedepunkte, die Verträglichkeit und die Beständigkeit in der Grenzfläche sehr wichtig.

Für einen Wärmetauscher, der auf dem Dreiflüssigkeitsprinzip basiert, können bei geeigneten Druckverhältnissen die 3 Xylole (meta, para und ortho) oder Stickstoff, Sauerstoff und Argon in flüssigem Zustand verwendet werden. Natürlich sind Sauerstoff und Argon auch für den ZweiflüssigkeitSr Wärmetauscher geeignet, welcher bereits vorstehend beschrieben wurde. Für Zweischicht-Wärmetauscher, bei denen geschmolzenes Metall verwendet wird, sind die folaend 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 119 darstellt, wie dies bereits vorstehend beschrieben wurde. Die mittlere Dampfblasenreihe 127 besteht in ihrem unteren Teil im Bereich der Siedeflüssigkeit 116 aus Bläschen kleinen Durchmessers, in der mittleren Flüssigkeitsschicht 113 sind die Dampfbläschen größer, außerdem sind dort noch absinkende oder rückfallende kugelförmige.. Kondensationströpfchen sichtbar. Eines dieser rücksinkenden kugelförmigen Kondensationströpfchen 131 ist auf der linken Seite der F i g. 3 vergrößert dargestellt,

dabei stellt der halbmondförmige Teil den Anteil der Siedeflüssigkeit dar, und der kleine Kreis kennzeichnet die gasförmige Sphäre. Eine Kondensation der größeren Dampfbläschen an der Grenzfläche 121 ergibt Flüssigkeitströpfchen, die in die unterste Flüssigkeitsschicht 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, 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 Flüssigkeits- und Gassphären aus der ersten und siedenden Flüssigkeit 116 in einer anderen einhüllenden Flüssigkeitssphäre.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen, daß durch diese Erfindung die Mangel und Nachteile vermieden werden, die sich bei einer 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 Wärmetausch bewirken. Um jedoch einen guten Wärmetauscher zu bekommen, werden im Vergleich zu der Siedeflüssigkeit von der überlagerten Kondensationsflüssigkeit die folgenden wesentlichen Eigenschaften gefordert:

Eine niedrigere 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 abgestimmt, 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 ypn Flüssigkeit umschlossen. Die angestrebte fortlaufende Kondensation der Dampfbläschen wird dadurch wesentlich erleichtert, daß man eine Kühlung der Kondensationsflüssigkeit vornimmt, wobei das Kühlaggregat an einer entfernten Stelle sich befinden kann. Zur Kühlung von wärmeerzeugenden elektronischen oder elektrisch nicht isolierten Objekten ist eine relativ dünne Schicht einer hochqualifizierten dielektrischen Siedeflüssigkeit, welche als Kühlflüssigkeit wirkt, erforderlich.

Die Erfindung wurde vorstehend an Hand von Beispielen näher erläutert, welche einige vorteilhafte Anwendungen aufzeigen. Das schließt jedoch nicht aus, daß es noch eine größere Anzahl weiterer Anwendungsfälle gibt, die in den Bereich des Erfindungsgedankens fallen.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher zur Kühlung eines in einem Behälter gelagerten wärmeerzeugenden Objektes, das von einer ersten Flüssigkeit umgeben ist, der mindestens eine zweite Flüssigkeit überlagert ist, die eine größere spezifische Wärmekapazität aufweist als die erste Flüssigkeit, wobei die beiden Flüssigkeiten sich nicht mischen, inert und beständig sind, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umgebungsdruck die erste Flüssigkeit einen Siedepunkt aufweist, der tiefer liegt als die zulässige Betriebstemperatur des zu kühlenden Objektes, daß der Siedepunkt der zweiten Flüssigkeit höher liegt als der Siedepunkt der ersten Flüssigkeit und daß die zweite Flüssigkeit auf möglichst gleicher Temperatur gehalten wird.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 zur Kühlung elektrischer oder elektronischer, nicht vollständig isolierter Objekte, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kontakt mit diesen Objekten stehende erste Flüssigkeit eine hohe dielektrische Konstante aufweist.

3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, insbesondere zur Kühlung elektronischer Objekte, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit aus Fluorkohlenwasserstoff, beispielsweise Perfluordimethylzyklobutan, oder einem Chlorfluorkohlenwasserstoff und die zweite Flüssigkeit aus V/asser oder Kieselsäureester besteht.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 zur Kühlung von Objekten mit hohen Betriebstemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit aus flüssigem Sauerstoff und die zweite Flüssigkeit aus flüssigem Argon besteht oder daß die erste Flüssigkeit aus Quecksilber und die zweite Flüssigkeit aus Polyphenyl oder flüssigem Stickstoff besteht.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 zur Kühlung von Objekten mit sehr hohen Betriebstemperaturen (Kernreaktoren), dadurch gekennzeichnet, daß flüssige Metalle und/oder Metallverbindungen als erste und/oder zweite Flüssigkeit einander überlagert sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Flüssigkeitsschichten einander überlagert sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeitsschicht aus flüssigem Stickstoff, die zweite Flüssigkeitsschicht aus flüssigem Sauerstoff und die dritte Flüssigkeitsschicht aus flüssigem Argon besteht.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlsystem (51 bis 63) vorgesehen ist, das die zweite Flüssigkeit (43) auf möglichst gleicher Temperatur hält (F i g. 1).

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter (73) in Spiegelhöhe der zweiten Flüssigkeit (75) Überlauföffnungen hat, durch welche die bei Erwärmung sich ausdehnende Flüssigkeit auf die äußeren Behälterwände austritt, die sie im Herablaufen benetzt, worauf sie aufgefangen (105), gekühlt und wieder der zweiten Flüssigkeitsschicht in der Nähe der Grenzfläche (89) zwischen den beiden Flüssigkeiten zugeführt wird, und daß der Behälter (73) von einem zweiten äußeren Behälter (85) umgeben ist (F i g. 2).

Hierzu I Blatt Zeichnungen