DE1751585A1

DE1751585A1 - Waermeaustauscher mit mehreren Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE1751585A1
Application number: DE19681751585
Authority: DE
Inventors: Sevgin Oktay
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-06-26
Filing date: 1968-06-24
Publication date: 1971-08-05
Also published as: GB1166586A; US3417814A; JPS4518105B1; FR1569432A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 21. Juni 1968 at- se

Anmelderin:

Amtl. Aktenzeichen:

Aktenzeichen der Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Neuanmeldung

Zusatz zu Patent ....... (P 1551 415. 5)

Docket PO 966 032

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, wobei die erste Flüssigkeit einen Siedepunkt aufweist, der wenigstens ungefähr der zulässigen Betriebstemperatur des zu kühlenden Objektes entspricht und wo der ersten Flüssigkeit mindestens eine zweite Flüssigkeit überlagert ist, die eine kleinere Dichte und einen höherliegenden Siedepunkt hat als die erste Flüssigkeit, wobei die beiden Flüssigkeiten sich nicht mischen, inert und beständig sind und wo die zweite Flüssigkeit auf möglichst gleicher Temperatur gehalten wird.

Derartige Kühlanordnungen sind insbe sonders zur Kühlung von Kernspeichern

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und elektronischen Schaltungen in Rechnern- und Steuerungsanlagen vorgesehen, um ein vom Umgebungsklima, den Programmen und den sonstigen Betriebszuständen unabhängiges, stabiles Arbeitsdiagramm zu bekommen. Insbesondere aus der Starkstromtechnik ist bekannt, daß dielektrische Flüssigkeiten zur Kühlung von Transformatoren, Kondensatoren und elektrischen Maschinen benutzt werden. Es sind Kühlverfahren bekannt, bei denen die Kühlflüssigkeit in einem ™ Gehäuse und einem daran angeschlossenen Rohrsystem durch Konvektion oder

durch eine erzwungene Umwälzung zirkuliert, wobei die abzuführende Wärme auf Kühlrippen oder eine weitere nachgeschaltete Kühlstufe übertragen wird.

In dem Hauptpatent (P 15 51 415. 5) wurde ein Wärmeaustauscher mit

mehreren Flüssigkeiten vorgeschlagen, dessen Aufbau und Wirkungsweise im Prinzip folgend kurz erläutert wird.

ρ Das zu kühlende Objekt (z. B. Kernspeicher, Schaltungskarten usw.) wird in

einem, flüssigkeitsdichten Behälter angeordnet und von einer ersten, dielektrischen Flüssigkeit umgeben, die einen relativ niederen Siedepunkt aufweist, der etwa im Bereich der· zulässigen Betriebstemperatur des zu kühlenden Objektes liegt. Dieser ersten Flüssigkeitsschicht wird eine zweite Flüssigkeitsschicht überlagert, die somit etwas spezifisch leichter sein muß, außerdem einen höheren Siedepunkt aufweisen muß als die erste Flüssigkeit. Beide Flüssigkeiten, sollen inert sein und sich nicht miteinander vermischen.

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ÜAB

Für die erste Flüssigkeit ist z.B. ein Fluor-Kohlenstoff verwendbar und für die überlagerte zweite Flüssigkeit Wasser oder Kieselsäureester.

In einer weiter en Ausgestaltung dieser Kühlungsart kann der zweiten Flüssigkeitsschicht noch eine dritte Flüssigkeitsschicht überlagert werden.

Die erste Flüssigkeit, auch Kühl- oder Siedeflüssigkeit genannt, steht in einem Berührungskontakt mit dem zu kühlenden Objekt. Beim Betrieb des Objekts erwärmt sich die erste Flüssigkeit bis zur Siedetemperatur und es steigen aus ihr Gasbläschen auf in Richtung der überlagerten zweiten Flüssigkeits schicht, die auch als Kondensations schicht bezeichnet wird. An der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Flüssigkeits schicht bildet sich eine Zwischenschicht, in welcher die aufsteigenden Dampfbläschen kondensieren und dabei ihre Wärme auf die zweite Flüssigkeits schicht übertragen, die sich dadurch erwärmt. Für die zweite Flüssigkeits schicht -wählt man vorzugsweise in Abhängigkeit vom wärmeerzeugenden Objekt und der ersten Flüssigkeit eine bestimmte Temperatur, die möglichst konstant gehalten wird und die unter der Siede-Temperatur der ersten Flüssigkeit liegt. Die zweite Flüssigkeit sorgt somit für die Abkühlung und die Kondensation der aus der ersten Flüssigkeit aufsteigenden Dampfbläschen.

Um die zweite Flüssigkeits schicht auf möglichst konstanter Temperatur zu halten, ist es erforderlich, die übertragene Wärme abzuführen. Gemäß dem Hauptpatent ....... (P 15 51 415. 5) werden dazu verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen. ·

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Die zweite Flüssigkeit kann fortlaufend durch Zugabe von neuer Kühlflüssigkeit gekühlt werden, so daß der Behälter überlauft und die Wärme auf diese Weise vom Behälter mit der überlaufenden Flüssigkeit abgeführt wird. Die übergelaufene Flüssigkeit kann wieder an den Eingang des zweiten Flüssigkeits-Systems entweder direkt oder durch irgend eine äußere Kühlvorrichtung zurückgeführt werden. Eine andere Vorrichtung zum Kühlen der zweiten Flüssigkeit besteht in der Kühlung an einer äußeren Stelle und einem fortlaufenden Umlauf des zweiten Kühlmittels. Der Hauptnachteil dieser Anordnungen besteht in der Möglichkeit der Verunreinigung der Flüssigkeiten. Ein weiterer Nachteil des dauernden Umlaufs des zweiten Kühlmittels ist die beträchtliche erforderliche zusätzliche Ausrüstung wie Auffangbehälter und Durchlaufregler.

In den Fällen, in denen die zweite Flüssigkeits schicht aus Wasser besteht, kann diese an eine Wasserversorgung angeschlossen werden und es kann ein geregelter Wasserdurchfluß erfolgen.

Weiter kann die zweite Flüssigkeits schicht durch eine in sie eingesetzte Kühlschlange gekühlt werden, wobei die Kühlschlange der Teil eines äußeren Kühlaggregates ist.

Diese vorgenannten Möglichkeiten zur Kühlung der zweiten Flüssigkeits schicht haben außer den bereits erwähnten Nachteilen, den weiteren Nachteil, daß sie nur für größere Rechenanlagen wirtschaftlich tragbar sind; für kleinere Rechen-

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anlagen, wo man bestrebt ist, diese möglichst kompakt, klein und leicht ortsveränderlich zu bauen, sind die vorstehend erwähnten Kuhlmöglichkeiten zu aufwendig, zu teuer und nicht vorteilhaft.

Der Erfindung Hegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher für eine in einem Behälter befindliche erwärmte Flüssigkeit zu schaffen, welche eine zuverlässige Kühlung dieser Flüssigkeit ohne großen wirtschaftlichen Aufwand gestattet, wobei keine Verschmutzung der Kühlflüssigkeit erfolgt und der Wärmeaustauscher von äußeren Kühlaggregaten unabhängig ist, und der kleine Abmessungen aufweist, so daß er auch für kleinere Rechenanlagen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die oberste Flüssigkeitsschicht metäEische Wärmeableitrippen getaucht sind und daß die Wärmeableitrippen durch strömende Luft gekühlt werden.

Durch die Verwendung von Wärmeableitrippen, die aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen und die großflächig in die zu kühlende Flüssigkeit eintauchen, wird die Wärme aus der Flüssigkeit in die Wärmeableitrippen übertragen und von dort durch die vorbeistreichende Luft durch Konvektion an die Umgebung abgeleitet.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen Fig. 1 bis 4 ausführlicher erklärt.

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Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit mehreren Flüssig

keiten arbeitenden Wärmeaustauschers mit einem teilweisen Ausschnitt, der im oberen Teil eine erfindungs gemäße Wärmeaustauschvorrichtung zeigt,

Fig, 2 eine senkrechte Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weit er en Ausführung eines

mit mehreren Flüssigkeiten arbeitenden Wärmeaustauschers mit einem oberen Ausschnitt, der eine erfindungsgemäße Wärmeaustauschvorrichtung zeigt und

Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 3.

Das zu kühlende Objekt 12, z.B. ein Kernspeicher, wird in eine erste Flüssigkeitsschicht eingetaucht, deren Flüssigkeit 14 einen relativ niederen Siedepunkt hat, der so gewählt ist, daß er im Bereich der zulässigen Betriebstemperatur des zu kühlenden Objektes 12 liegt.

Diese erste Flüssigkeit 14 siedet bei normalem Luftdruck etwas über Raumtemperatur. Eine zweite Flüssigkeits schicht 16 ist der ersten Flüssigkeits schicht 14

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überlagert. Wenn die erste Flüs sigkeits schicht 14 durch das darin eingetauchte wärmeerzeugende und zu kühlende Objekt 12 ausreichend erwärmt ist, bilden sich in dieser Siedeschicht aufsteigende Dampfbläschen 18, die in der Zwischenschicht an den Grenzflächen 20 der beiden Flüssigkeiten 14 und 16 kondensieren.

Diese Erscheinung erreicht man nur, indem man die richtige Auswahl der Flüssigkeiten, ihre Volumen, die Größe ihrer Grenzflächen, den Luftdruck und

das Ausmaß der Wärmeerzeugung in die richtige Beziehung zueinander setzt. M

Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen Wärmeaustauscher zur Kühlung dieser zweiten Flüs sigkeitss chi cht 16, um diese auf möglichst konstanter Temperatur zu halten und um die durch die Kondensation der Dampfbläschen übertragene Wärme abzuführen, so daß der vorstehend erwähnte Kühlprozeß durch die in der ersten Flüssigkeit aufsteigenden Dampfbläschen und Konfensation derselben in der Grenzfläche 20 der kühleren zweiten Flüssigkeitsschicht erhalten bleibt.

In den Fig. 1 und 2 ist ein derartiger, mit mehreren Flüssigkeiten arbeitender Wärmeaustauscher dargestellt, in welchem das zu kühlende Objekt 12 in einem flüssigkeitsdichten Behälter 22 in einer ersten Flüssigkeitsschicht (Siedeflüssigkeit) 14 untergebracht ist, über der eine zweite Flüs sigkeits schicht (Kondensationsflüssigkeit) 16 liegt. Eine Anschlußplatte 24 mit den Anschluß stiften 26 stellt die verschiedenen Verbindungen zu den äußeren Geräten dar, mit denen das zu kühlende Objekt 12 zusammenarbeitet. Die erste Flüssigkeit 14 ist vor-

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zugsweise eine dielektrische Flüssigkeit, z.B. Perflourdimethyl-Cyclobutan, welches bei normalem Luftdruck ungefähr bei 45 +_ 3 C siedet. Die zweite Flüssigkeitsschicht 16, die einen relativ höheren Siedepunkt hat, liegt auf der freien Oberfläche der ersten Flüssigkeitsschicht 14, so daß eine Grenzfläche 20 entsteht. Wenn die Temperatur der ersten Flüssigkeit 14 den Siedepunkt dieser Flüssigkeit erreicht, bilden sich am zu kühlenden Objekt 12 Dampfbläschen 18, diese steigen in der Siedeflüssigkeit bis zur Grenzfläche 20 auf, wo der größte Teil der Dampfbläschen kondensiert aufgrund der gegenseitigen Beziehungen der Flüssigkeiten zueinander. In Wirklichkeit werden jedoch nicht alle Dampfbläschen 18 an der Grenzfläche 20 kondensieren, z.B. wenn die durch das zu kühlende Objekt 12 erzeugte Wärme steigt, teilen sich manchmal die Dampfbläschen 18 an der Grenzfläche 20 in noch kleinere Blasen auf, die sich je nach der erzeugten Hitze auch wieder zu größeren Blasen 28 vereinigen können und sich bei ausreichender Siedetemperatur von der Grenzfläche lösen und in die zweite Flüssigkeits schicht 16 aufsteigen. Abhängig von der erzeugten Hitze und natürlich auch den anderen obenerwähnten Einflüssen werden die grösseren Blasen 28 in der zweiten Flüssigkeits schicht 16 kondensieren oder sie steigen sogar bis zu deren Oberfläche auf und kondensieren dort.

Auf jeden Fall wird durch die Dampfbläschen 18 und 28 Wärme auf die zweite Flüssigkeit 16 übertragen, die infolgedessen gekühlt werden muß, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Zur Kühlung dieser zweiten Flüssigkeitsschicht 16 wird erfindungsgemäß ein Wärmeaustauscher mit dem folgend beschriebenen Aufbau

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(Fig. 1 und 2) verwendet. In den Fig. 1 und 2 ist auf der Oberseite des flüssigkeitsdichten Behälters 22 der Wärmeaustauscher angeordnet, dessen Flächenabmessungen der Behälterfläche entsprechen. Dieser Wärmeaustauscher besteht im wesentlichen aus einer Anzahl von Wärmeableitrippen, die sich über die gesamte Oberfläche der zweiten Flüssigkeitsschicht erstrecken. Diese Wärme-, ableitrippen sind massiv und bestehen aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B. Kupfer, Gußeisen usw. , sie setzen sich aus den unteren Kühlrippen 32 und den oberen Kühlrippen 36 zusammen. Die in die zweite Flüssigkeitsschicht großflächig eintauchenden unteren Rippen 32 bieten durch ihre große Fläche eine große Kontaktfläche zur besseren Wärmeübertragung.

Die Rippen 32 sind mit einer Metallplatte 34 verbunden, die gute wärmeleitende Eigenschaften aufweist. Auf der anderen Seite der Platte 34 quer zu den unteren Rippen 32 verlaufend sind die oberen Rippen 36 angeordnet, die in ähnlicher Weise massiv aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt sind. Über den oberen Rippen 36 befindet sich ein Gebläse 38 in einer Abdeckplatte 30, das die Luft über die oberen Rippen 36 strömen läßt, wodurch sich die Wärmeabgabe verbessert. Das Gebläse 38 sowie die Rippen 32 und 36 passen in die Oberseite des Behälters 22. In der Wandung des Behälters 22 sind außerdem Lufteintritts öffnungen 40 in der Höhe der oberen Rippen 36 so angebracht, daß die Außenluft durch die zwischen den oberen Rippen 36 bestehenden Kanälen geführt sind.

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Eine billige und wirksame Kühlung der zweiten Flüssigkeit 16 konnte durch die Entdeckung verwirklicht werden, daß die Blasenkondensation in der zweiten Flüssigkeitsschicht 16 auch bei Temperaturen in der Nähe des Siedepunktes der ersten Flüssigkeit 14 stattfinden kann und daß die Wärmeübertragungscharakteristik der ersten Flüssigkeit 14 durch Temperaturänderungen in der zweiten Flüssigkeitsschicht 16 nicht beeinflußt wird. So konnte erfindungsgemäß ein mit mehreren Flüssigkeiten arbeitender luftgekühlter Wärmeaustauscher in geschlossener Bauweise erstellt werden, der den Vorzug aufweist, daß keine Möglichkeit der Verunreinigung von außen und auch keine Möglichkeit für eine Verdampfung der Flüssigkeiten usw. besteht.

In den Fig. 3 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Bei dieser Anordnung befindet sich wieder in dem flüssigkeitsdichten Behälter das zu kühlende Objekt 12 sowie die beiden Flüssigkeiten 14 und 16 mit der dazwischen gebildeten Grenzfläche 20. Wie im ersten Fall, steigen beim Betrieb des zu kühlenden und wärmeerzeugenden Objekts 12 von diesem Dampfbläschen 18 auf, die bei der einen Betriebsart an der Grenzfläche 20 kondensieren und bei einer anderen Betriebsart steigen Blasen 28 von der Grenzfläche 20 weiter in die zweite Flüssigkeitsschicht 16 auf, die dort kondensieren. In jedem Fall steigt die Temperatur der zweiten Flüssigkeit 16 an und infolgedessen wird die Kühlung eingeleitet. Die Oberseite des Behälters 22 ist bei dieser Ausführung ebenfalls durch einen Wärmeaustauscher geschlossen, der die in die zweite Flüssigkeits schicht hineinragenden Wärmeableitrippen 48 aufweist, die jedoch

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rechtwinklig zu der horizontalen Rippenanordnung 32 in dem erstgenannten Ausführungsbeispiel verlaufen, d.h. dieser Wärmeaustauscher enthält eine Anzahl von Warmeableitrippen 48, die vertikal in den Behälter 22 hineinragen. Der Vorteil dieser Rippenanordnung besteht darin, daß eine größere Rippenfläche mit der zweiten Flüssigkeit 16 in Berührung kommt und daß dadurch ein noch besserer Wärmeaustausch stattfindet, so daß die Wärmeableitung aus dem Behälter durch natürliche Konvektion möglich ist. Die Wärmeableitrippen 48 sind parallel zueinander angeordnet und durch kurze Metallstäbe, die als Abstandsbolzen 50 dienen, voneinander getrennt, die nicht nur die Wärmeableitrippen 48 parallel halten, sondern auch für eine ausgleichende Wärmeleitung zwischen den einzelnen Rippen sorgen.

Jede dieser Wärmeableitrippen 48 hat zwei parallel zueinander verlaufende Seitenplatten 52 , zwischen denen die beiden Seitenplatten miteinander verbinden die Zwischenwände 46 angeordnet sind. Durch diese Zwischenwände 46 entstehen in den Wärmeableitrippen 48 kaminartige Schächte 54 mit einer relativ großen Oberfläche. Die Wärmeableitrippen 48 bestehen ebenfalls wieder aus einem gut wärmeleitenden Material. An jeder der Wärmeableitrippen 48 verläuft unten in horizontaler Längsrichtung ein Luftkanal 56, der mit jedem der kaminartigen Schächte 54 in Verbindung steht. In der Wandung des Behälters sind Öffnungen angebracht, die den Luftkanälen 56 der Wärmeableitrippen 48 zugeordnet sind. Die Luftkanäle 56 sind durch diese Öffnungen mit der den Behälter 22 umgebenden Luft verbunden. Die Luftkanäle 56 und die vertikalen karnin-

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artigen Schächte 54 bilden Züge und ermöglichen somit einen Luftstrom durch diese Züge durch Konvektion zur Ableitung der Wärme von den Kontaktflächen der kaminartigen Schächte und der horizontalen Luftkanäle.

Der Behälter 22 ist an seiner Oberseite mit einer perforierten Abdeckung 44
versehen, deren Öffnungen deckungsgleich mit den Öffnungen der kaminartigen Schächte 54 angeordnet sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Wärmeaustauscher zur Kühlung eines wärmeerzeugenden Objektes nach

Patent (P 1.5 51 415. 5), das in einem Behälter gelagert und von einer

ersten Flüssigkeit, welche als Kühlflüssigkeit wirkt, umgeben ist, wobei die erste Flüssigkeit einen Siedepunkt aufweist, der wenigstens ungefähr der zulässigen Betriebstemperatur des zu kühlenden Objektes entspricht und wo der ersten Flüssigkeit mindestens eine zweite Flüssigkeit überlagert ist, die eine kleinere Dichte und einen höherliegenden Siedepunkt hat als die erste Flüssigkeit, wobei die beiden Flüssigkeiten sich nicht mischen, inert und beständig sind und wo die zweite Flüssigkeit auf möglichst gleicher Temperatur gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß in die oberste Flüssigkeitsschicht (16) metallische Wärmeableitrippen (32, 48) getaucht sind und daß die Wärmeableitrippen durch strömende Luft gekühlt werden.

2* Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (gemäß Fig. I und 2) die Wärmeableitrippen aus den länglichen oberen (36) und den unteren (32) an ihrer größten Querschnittsfläche miteinander verbundenen Kühlrippen "bestehen, daß die unteren Kühlrippen (32) in die Flüssigkeit (16) eintauchen und die oberen Kühlrippen (36) sich über dem Flüssigkeitsspiegel befinden, daß die Abstände zwischen zwei benachbarten oberen Kühlrippen zusammen mit den Öffnungen (40) in der Behälterwandung (22) Luftkanäle

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bilden und daß der Behälter über den oberen Kühlrippen mit einer Abdeckung (30) versehen ist, in welcher ein Lüfter (38) angeordnet ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und die unteren Kühlrippen (32, 36) ein keilförmiges Profil aufweisen und daß sie auf einer wärmeleitenden Zwischenplatte (34) aus Metall angeordnet sind.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (gemäß Fig. 3 und 4) die Wärmeableitrippen (48) aus länglichen, prismaförmigen, hohlen und flüssigkeitsdichten Einsätzen bestehen, die durch Zwischenwände (46) in kaminförmige Schächte (54) unterteilt sind, daß im unteren Teil der Seitenwände und in den Zwischenwänden (46) der Einsätze und in der Wandung des Behälters (22) Öffnungen vorhanden sind, so daß sich horizontal verlaufende Luftkanäle (56) bilden, die zusammen mit den kaminartigen Schächten (54) Luftzüge ergeben.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Luftzügen versehenen Einsätze an der Oberseite des Behälters (22) in die Flüssigkeit (16) eingesetzt und durch wärmeleitende Abstandsbolzen (50) zwecks Temperaturausgleich miteinander verbunden sind, daß die Behälteroberseite eine perforierte Abdeckung (44) aufweist, deren Öffnungen über den vertikalen Kaminschächten liegen.

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6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitrippen parallel nebeneinander liegend sich über die gesamte Oberflächenseite der Flüssigkeit (16) erstrecken.

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